Entwicklung kontinuierlicher unrunder Innen- und Außenkonturen für formschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen und Ermittlung analytischer Lösungsansätze

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Masoud Ziaei
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 32460535

• Erstellungsjahr: 2017

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In der zweiten Projektphase wurden umfangreiche numerische und experimentelle Untersuchungen an neuartigen formschlüssigen WNV auf Basis der komplexen Trochoiden durchgeführt. Aus den Erkenntnissen der vorangegangenen Projektphase wurden das E50, H30 sowie M50-Profil für die weiterführenden Untersuchungen ausgewählt. In der ersten Phase konnte im Rahmen einer umfassenden Parameteruntersuchung der Einfluss der Geometrieparameter Exzentrizität und Mitnehmeranzahl auf das Tragverhalten der Verbindung ermittelt werden. Basierend auf den Ergebnissen war zudem ein Vergleich mit dem genormten P3G- und Evolventenzahnprofil möglich, Hierbei konnte die große Anpassungsfähigkeit und Variabilität der komplexen Trochoiden aufgezeigt werden. Weiterhin bildeten die Ergebnisse eine Basis für das zu entwickelnde Dimensionierungskonzept. Da hier aber ein geeigneter FE-Netzgenerator mit Hinblick auf die Vielfalt der zu untersuchenden Konturen notwendig war, wurde auch ein vollständig unabhängiger FE-Netzgenerator entwickelt. Der Vergleich der experimentell ermittelten Torsionsspannung in der Welle mit den theoretischen Werten (konforme Abbildung, FEM) zeigte eine sehr gute Übereinstimmung und damit die Gültigkeit der Methodik. Die Erweiterung der experimentellen Untersuchungen lieferte eine Dauerfestigkeit des geprüften M50-Profils, womit zukünftig experimentell bestimmte Kerbwirkungszahlen für die Festigkeitsberechnung geliefert werden können. Zudem konnte eine gründliche Rissanalyse durchgeführt werden, welche die Gültigkeit des Reibkorrosionsparameters MFFDP lieferte. In Arbeitsschritt 4 wurde der Einfluss der Passung (Übermaß/Spiel) untersucht. Hier konnten einzuhaltende Grenzwerte ermittelt werden. Die Untersuchungen zur Reibungszahl zeigten vor allem für die Profile mit konvexen Flanken, geringer Mitnehmeranzahl und damit geringem Formschluss einen großen Reibeinfluss und damit eine nicht zu vernachlässigende Beeinflussung des Reibdauerverhaltens. Für den Einfluss der Nabengeometrie konnten analog zu den Passungen Grenzwerte bestimmt werden. Die Ergebnisse flossen final in das Dimensionierungskonzept ein. Die Untersuchung des Tragverhaltens der neuen Profile für die Belastungsfälle reine Biegung sowie für die Kombination Torsion / Biegung soll in einem künftigen Forschungsvorhaben sowohl analytisch als auch experimentell durchgeführt werden. Über die Ziele des Vorhabens hinaus finden die analytischen Lösungsansätze für die Torsionsspannungen weitere Anwendungen auf dem Gebiet der Schraubenfeder mit unrunden Drahtquerschnitten. Diese ermöglichen eine exakte analytische Dimensionierung derartiger Schraubenfedern zum Beispiel mit einem E-Profilquerschnitt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Anpassungsfähige kontinuierliche Innen- und Außenkonturen für form- und reibschlüssige Verbindungen auf Basis der komplexen Zykloiden. VDI Berichte: Welle-Nabe-Verbindungen, Gestaltung, Fertigung, Anwendungen. Düsseldorf, VDI Verlag, Oktober 2007
  Ziaei, M.
  
• Berechnung der Torsions- und Kontaktspannungen in den neuen nichtevolventischen M-Profilen und Vergleichen mit den genormten evolventischen Zahnprofilen nach DIN 5480. 4. VDI-Fachtagung, Welle-Nabe-Verbindungen, Gestaltung, Fertigung, Anwendungen. Nürtingen, Oktober 2010
  Ziaei, M.
  
• Schraubenfedern mit trochoidischem Drahtquerschnitt. Ilmenauer Federntag, 4. November 2010, Ilmenau, Verlag ISLE 2010, ISBN 978-3-938843-57-4
  Ziaei, M.
  
• Formschlussprofile für Welle-Nabe-Verbindungen. „antriebstechnik“, Vereinigte Fachverlage, 2012
  Ziaei, M.; Unger, A.; Schreiter, R.
  
• Neue zyklische Profilkonturen - die optimale Alternative für die genormten Zahnprofilverbindungen. „Konstruktion“, 2012
  Ziaei, M.
  
• Automatische FE-Netzgenerierung für unrunde Welle-Nabe-Verbindungen. 6. VDI-Fachtagung: Welle-Nabe-Verbindungen, Gestaltung, Fertigung, Anwendungen. Karlsruhe, November 2014
  Ziaei, M.; Kretovych, N.
  
• Rechnerische Ermittlung der Kerbwirkungszahl von Unrundprofilen unter reiner Torsionsbelastung und Vergleich mit dem genormten Zahnwellenprofil nach DIN5480. 6. VDI-Fachtagung: Welle-Nabe-Verbindungen, Gestaltung, Fertigung, Anwendungen. Karlsruhe, November 2014
  Ziaei, M.; Selzer, M.
  
• Zykloiden höherer Stufe – Alternative für formschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen Teil 1. „antriebstechnik“ Heft 10/2016 S.100, Vereinigte Fachverlage, Oktober 2016
  Selzer, M.; Ziaei, M.
  
• Zykloiden höherer Stufe – Alternative für formschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen Teil 2. „antriebstechnik“ Heft 03/2017 S.66, Vereinigte Fachverlage, März 2017
  Selzer, M.; Ziaei, M.