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Ausgewählte Ausgabe: 05-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Beitrag zur Erhöhung des Beul-Torsionsmoments von Antriebswellen aus Faser-Kunststoff-Verbunden

Concept to Increase the Buckling Torsional Moment of Drive Shafts from Fibre-Polymer-Composites


Inhalt: Aufgrund der hohen Festigkeiten der Faser-Kunststoff-Verbunde kann die Wanddicke von Antriebswellen dünn gehalten werden; jedoch wächst damit die Gefahr frühzeitigen Torsionsbeulens, gefolgt von schlagartigem Totalversagen. Ziel einer Untersuchung war es, dem Konstrukteur die Auswirkung von Vorbeulen aufzuzeigen sowie eine einfache, konstruktive Möglichkeit vorzustellen, dass kritische Torsionsmoment effektiv zu erhöhen, ohne dass das Wellengewicht zu stark ansteigt.
Abstract: Due to the high strength of fibre-polymer-composites the wall thickness of drive shafts can be kept very thin; but by this the risk of early torsional buckling increases, followed by sudden total failure of the drive shaft. Aim of an investigation was to demonstrate to the designer the consequences of prebuckling and in addition to present a simple design solution to raise the critical torsional moment without weight growth of the drive shaft.

1 Einleitung

Antriebswellen sind eine ausgezeichnete Anwendung für Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV); im Vergleich mit Stahlwellen lassen sich Gewichtseinsparungen von über 50 % erzielen und in vielen Fällen Kostenäqivalenz erreichen. Auszulegen sind FKV-Antriebswellen auf Erreichen der kritischen Biegeeigenfrequenz, auf ausreichende Torsionsfestigkeit sowie Beulstabilität. Für die Langzeitbelastbarkeit der Welle ist es essenziell, bei welcher Torsionsmomentenhöhe die Welle anfängt Vorbeulen auszubilden. Vorbeuldeformationen stellen eine Zusatzbelastung – Schalenbiegung – dar, die lokal die Welle vorzeitig ermüden lässt und die das kritische Beulmoment senkt [1]. Dies war am Fachgebiet Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen (KLuB) der TU Darmstadt die Motivation, Untersuchungen zur Bestimmung der Vorbeuldeformation anzugehen sowie Maßnahmen zur Steigerung des kri- tischen Beulmoments zu entwickeln.

2 Der Vorbeulbeginn im Vorbeulbereich

KA 600 Bild 1 BU

Bild 1
Beulbild einer FKV-Antriebswelle mit 3 Wellen über dem Umfang als Beulmuster und einem applizierten DMS (Abmaße Welle: l = 800 mm, r = 45 mm)

Als Vorbeulbereich wird der Bereich von Beginn der Lastaufbringung bis Eintreten der Verzweigungslast definiert. In diesem Bereich, vor Erreichen des beulkritischen Torsionsmoments, können Vorbeulen entstehen, wobei allerdings die Last noch gesteigert werden kann. Für den Konstrukteur ist es interessant, den Bereich zu kennen, an dem sich eine Vorbeule beginnt auszubilden. Der Vorbeulbeginn ist davon abhängig, wie imperfekt die Welle gefertigt wurde; je größer die Imperfektionen sind, umso früher erscheinen die Vorbeulen.
Da Imperfektionen gewickelter FKV-Wellen eher zufälliger Natur sind, war es sinnvoll, den Vorbeulbeginn experimentell zu ermitteln. Die betrachteten Antriebswellen bilden typischerweise 2 bis 3 Beulen über dem Umfang aus. Eine geschickte Methode, den Vorbeulbeginn zu detektieren, ist es, die Welle mit einem berührungslosen Feldmesssystem zu überwachen. Da eine solche Messeinrichtung nicht zur Verfügung stand, wurden 16 Glasfaser-Epoxid- Verbund (GF-EP)-Wellen mit jeweils 3 Dehnungsmessstreifen (DMS) in Wellenmitte – dem Bereich, wo die Beulen zuerst einspringen – über dem Umfang bestückt. Die DMS wurde so positioniert, dass sich mindestens ein DMS auf einem Wellenberg oder in einem Wellental der Beule befindet und damit die Beuldeformation frühzeitig detektiert. Da sich die Beulwellen etwa 15° zur Wellenlängsachse orientieren, wurden die DMS in einem Winkel von 105° zur Wellenlängsachse appliziert und befinden sich somit orthogonal zur Beulen-Längserstreckung (Bild 1).
Das Torsionsmoment wurde bei den Versuchen schrittweise bis zum Erreichen des kritischen Beul-Torsionsmoment MTk gesteigert. Liegt das anstehende Torsionsmoment noch unterhalb des Vorbeulbeginns, so zeigen alle DMS die gleiche Dehnung (4°-Messung in Bild 2): Die GF-EP-Welle hat ihren Kreisringquerschnitt noch nicht verlassen. Vergrößert sich das Torsionsmoment, so beginnen die Graphen der einzelnen DMS (6°-Messung in Bild 2) zu differieren. Dies ist das Zeichen dafür, dass Vorbeulen beginnen sich auszubilden. Das kritische Beul-Torsionsmoment trat bei einem Wellen-Verdrehwinkel von etwas über 5° ein. Die GF-EP-Welle wurde trotz Erreichens des kritischen Torsionsbeulmoments zwischen 5° und 6° in einem weiteren Schritt bis zum Verdrehwinkel von 7° belastet. Die Graphen zeigen dabei einen zu der vorgehenden Belastung bis 6° analogen Verlauf. Das lässt den Schluss zu, dass beim Einspringen des Beulmusters mit zwei Umfangswellen sich keine oder nur wenige Risse bildeten.

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Autoren

Dr.-Ing. Tobias Dickhut

TU Darmstadt
Fachgebiet Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen
Otto-Berndt-Straße 2
64287 Darmstadt
Tel.: 0 61 51/16-2 20 20
www.klub.tu-darmstadt.de

Prof. Dr.-Ing.  Helmut Schürmann

TU Darmstadt
Fachgebiet Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen
Otto-Berndt-Str. 2
64287 Darmstadt
Tel.: 0 61 51/16-2 20 20
www.klub.tu-darmstadt.de
E-Mail: helmut.schuermann@klub.tu-darmstadt.de

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