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Methodischer Festigkeitsnachweis von Bauteilen unter Berücksichtigung lokaler Härte und Einbauspiel am Beispiel formschlüssiger Kupplungen

Fürst, Thomas

Kupplungen gehören zu den wichtigsten Maschinenelementen. Sie ermöglichen die Drehmomentübertragung und Verbindung von Wellen. Für die Auslegung der Kupplungskomponenten haben sich in den letzten Dekaden zahlreiche Leitfäden und Regelwerke etabliert. Die Kupplungselemente sind einerseits der Forderung nach immer leichterer und kompakterer Bauweise unterworfen, andererseits wird gleichzeitig stetig höhere Leistungsfähigkeit gefordert. Hieraus ergeben sich Zielkonflikte, an denen etablierte Auslegungskonzepte scheitern, weil die entstandenen Lösungen teilweise unkonventionell sind und aus Entwicklersicht gegen Auslegungsregeln verstoßen. In dieser Arbeit wird eine formschlüssige, auf dem Oldham-Prinzip basierende Kupplung betrachtet. Diese hat nicht nur die Aufgabe Moment zu übertragen, gleichzeitig soll sie einen Achsversatz ausgleichen. Dies hat zur Folge, dass ein konstruktives Einbauspiel vorgesehen werden muss. Da ein Einbauspiel bei dynamischer Belastung Verschleiß mit sich bringt, müssen die Kontaktpartner lokal gehärtet werden. Mit der in dieser Arbeit entwickelten Berechnungsmethode wird die dynamische Auslegung eines solchen Kupplungselements unter Berücksichtigung von Einbauspiel und lokaler Härte ermöglicht. Die Auswirkung auf die dynamische Festigkeit beider Eigenschaften kann am gewählten Beispiel quantifiziert werden. Alle rechnerischen Lösungen des methodischen Vorgehens werden mit Hilfe einer sehr großen experimentellen Basis verifiziert. Die Arbeit liefert somit einen wichtigen Beitrag zur Berücksichtigung lokaler Härte bzw. lokalen Härteübergängen im Lastpfad in Kombination mit Einbauspiel im Auslegungsprozess. Bisher eingesetzte pauschalisierte Stoßfaktoren führen zum Teil zur Überdimensionierung des Bauteils. Mit der entwickelten Methode wird eine präzisere Festigkeitsprognose und damit eine effizientere Gestaltung des Bauteils ermöglicht.
Couplings are one of the most important machine components. They enable torque transmission of shafts. For the design of the coupling components, numerous guidelines and regulations have been established in recent decades. The demand for lighter and more compact designs on the one hand and constantly higher performance on the other hand, leads to a conflict of objective. Established design concepts fail to solve this conflict. The solutions chosen instead in industrial practice are unconventional and violate certain design guidelines. In this work, a coupling component is considered as an example. This component not only has the task of transmitting torque, but at the same time the compensation of an axial offset. Consequently, a clearance of the coupling parts must be considered. Clearance results in abrasion. To avoid this, the contact partners have to be locally hardened. The developed calculation method of this work enables the dynamic design of such a coupling element considering clearance and local hardness. The effect on the dynamic fatigue strength of both properties can be quantified in the example chosen. All computational results of the methodological procedure are verified with a large-scale experimental basis. The work thus provides an important contribution to the consideration of local hardness or local hardness transitions in the load path and clearance in the design process. The common design process relying on generalized impact factors leads to an oversizing of the component, whereas the method developed in this work allows a more precise fatigue strength prediction and more efficient designs of the component.