Welle-Nabe-Verbindung (WNV)

Eine Gruppe von Maschinenelementen, die im Fokus der wissenschaftlichen Tätigkeit des Instituts steht,  sind die Welle-Nabe-Verbindungen.  Neben Dienstleistungen für Industriepartner im Form von Beratung zur Auswahl, der Auslegung und konstruktiven Integration von Welle-Nabe-Verbindungen (WNV) stellt die versuchsgestützte Entwicklung spezieller Welle-Nabe-Verbindungen einen zentralen Aufgabenbereich dar. Dies sind selbstschneidende und -formende Verbindungen, insbesondere Rändelverbindungen. Diese Alternativen zu konventionellen Welle-Nabe-Verbindungen, weisen ein hohes bezüglich Belastungsübertragungsfähigkeit und Bauraumoptimierung auf.

Besonderes Kennzeichen dieses Verbindungstyps Doppelfunktion der formgebende Verzahnung. Diese erzeugt einerseits beim axialen Einpressen in den Nabenkörper schneidend oder umformend eine Gegenverzahnung und dient so als Werkzeug. Andererseits dient die Wellenverzahnung als formschlüssiges Übertragungselement.

Verzahnte Welle und gebohrte Nabe vor dem Fügen
Verzahnte Welle und gebohrte Nabe vor dem Fügen © TU Graz/IME

Durch die Art der Verzahnungsherstellung  - die formgebende Verzahnung erzeugt die Gegenverzahnung – liegt Paarungsbau vor. Dadurch ergibt sich bei günstiger Gestaltung eine spielfreie Verbindung mit gleichmäßiger Belastung der einzelnen über den Umfang verteilten Zähne.  Daraus resultiert eine hohe Belastungsübertragungsfähigkeit.

Ein weiterer positiver Aspekt ist die Vielzahlt an geometrischen Parametern, die zur anwendungsspezifischen Anpassung und Optimierung variiert werden können.

Eingepresste Verbindung im Querschnitt
Eingepresste Verbindung im Querschnitt © TU Graz/IME

Zwar ist eine umfangreiche Erfahrung auf dem Gebiet vorhanden, diese umfasst jedoch nur einen engen Parameterbereich. Allgemeingültige und abgesicherte Richtlinien zur konstruktiven Gestaltung und rechnerischen Auslegung dieses Verbindungstyps liegen daher bislang nicht vor. Für jeden Anwendungsfall ist daher eine maßgeschneiderte Entwicklung, die Beanspruchung, Werkstoffkombination und weitere Rahmenbedingungen berücksichtigt, notwendig. Eine prüfstandgestützte Absicherung ist dabei unumgänglich.

Verschlissene und Unverschlissene Welle-Nabe-Verbindung
© TU Graz/IME
© TU Graz/IME

Umlaufbelastete Verbindungen nach > 2*106 Lastwechseln, links Welle ohne erkennbaren Verschleiß, rechts massier Verschleiß, Reibrost und Materialübertrag

Folgend werden einzelne Aspekte bei der Auslegung der Verbindung kurz dargestellt:

·       Abschätzung der Tauglichkeit einer selbstschneidenden oder –formenden Verbindung im Vergleich zu konventionellen Verbindungen

Abhängig von Anforderungen und Zielgrößen bei der Auslegung und Optimierung von Welle-Nabe-Verbindungen, wie die zu übertragende Belastungsart und –höhe, geometrische, fertigungstechnische und werkstoffkundliche Restriktionen geben eine Indikation für die Sinnhaftigkeit des Einsatzes selbstschneidender und -formender Welle-Nabe-Verbindungen.

·       Gestaltung der Verbindung

Entsprechend den Anforderungen an die Verbindung ergeben sich, abhängig von den geometrischen Restriktionen, beziehungsweise Freiheitsgraden, eine Vielzahl an grundsätzlichen Herstellungs- und Ausführungsformen der Verbindung (spanend, umformend, bzw. konventionelle Geometrien etablierter WNV sowie alternative Konturen). Dabei sind sowohl Aspekte der Herstellung, des Fügevorgangs, als auch der Belastungsübertragung von Relevanz.

·       Auslegung der Verbindung

Generell sind der Fügevorgang und das Belastungsübertragungsverhalten von zentralem Interesse. Dabei wird versucht, diese durch analytisch/empirische Modelle zu beschreiben. Deren Gültigkeit und Grenzen sind versuchstechnisch abzusichern.   

·       Verifikation der Verbindung

Beginnend bei Vorstudien bis hin zu Serienanwendungen ist die Verifikation der Eigenschaften von hoher Bedeutung. Die Absicherung des Verhaltens erfolgt vorwiegend versuchstechnisch. Die qualitative und quantitative Beurteilung ist dabei stark erfahrungsgestützt.


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