Der Pressverband als torsionbelastete Krafteinleitung in Faser-Kunststoff-Verbund-Wellen

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Pressverband als torsionsbelastetes Krafteinleitungselement in Wellen aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV).

Antriebswellen aus FKV finden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften vermehrt Anwendung in der Antriebstechnik. Problematisch ist allerdings der Krafteinleitungsbereich, da hier nicht die hochfesten Fasern, sondern die niederfeste Polymermatrix belastet wird. Der Pressverband erscheint dabei als geradezu prädestiniertes Verbindungskonzept, da sich den Schubspannungen infolge der Verpressung der Fügepartner Querdruckspannungen überlagern. Dies wirkt sich sehr günstig auf den Versagensmechanismus aus. Für Pressverbände mit FKV-Fügepartnern fehlen bislang jedoch Berechnungsverfahren und Konstruktionsprinzipien.

Mittels der Finiten-Elemente-Methode (FEM) und Versuchen werden die im Pressverband ablaufenden Mechanismen und der Einfluss der besonderen Eigenschaften der FKV-Welle auf diese Vorgänge vertieft analysiert. Dabei wird neben der Orthotropie der FKV-Welle, auch deren nichtlineares und visko-elastisches Werkstoffverhalten berücksichtigt. Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden Optimierungsmaßnahmen abgeleitet. Insbesondere wird die Notwendigkeit einer reibwertsteigernden, aber teuren Mikroverzahnung kritisch hinterfragt.

Beim Längspressverband ist insbesondere der Einpressvorgang von besonderer Bedeutung. Die kraftschlüssige Art der Lastübertragung erfordert einen möglichst hohen mittleren Fugendruck in der Trennfuge zur Nabe. Als limitierende Faktoren lassen sich die Schubbelastungen der FKV-Fügefläche und die erforderlichen Einpresskräfte identifizieren. Letztere können zu einem Stabilitätsversagen der Welle führen. Auch für den Einpressvorgang werden in numerischen und experimentellen Untersuchungen die ablaufenden Mechanismen analysiert, und Maßnahmen erörtert, welche die Realisierung möglichst hoher Fugendrücke in der Trennfuge erlauben.

Die wichtigsten Erkenntnisse aller Untersuchungen werden als Konstruktions- und Auslegungshinweise zusammengefasst.