Passfederverbindungen (PFV) sind eine weit verbreitete formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung (WNV). Diese zeichnen sich durch eine einfache Fertigung und De-/Montierbarkeit aus. Die Bestimmung des übertragbaren Drehmoments erfolgt mittels DIN 6892 [1], welche auf dem Grenzlastkriterium einer kritischen Flächenpressung zwischen Wellennut und Passfeder bzw. zwischen Nabennut und Passfeder beruht. Die Gestaltfestigkeit der Welle wird mittels DIN 743 [2] oder einschlägigen Richtlinien wie [3], [4] abgeschätzt. Die Nennspannungsnachweise nehmen für die genutete Welle einen zylindrischen Querschnitt an und schätzen die in der Nut vorliegende Spannungsüberhöhung mit einer experimentell ermittelten Kerbwirkungszahl ab. Experimente wie in [5] zeigen, dass diese Kerbwirkung für torsionsbeanspruchte Verbindungen deutlich unterschätzt wird. Eine Ursache dafür kann der Fehler durch die Anwendung des zylindrischen Querschnitts für das Widerstandsmoment gegen Torsion der genuteten Welle sein. In einer früheren Forschungsarbeit [6] wurde die Spannungsüberhöhung im Nutgrund der Welle mit Hilfe einer Formzahl abgeschätzt. Dieser Ansatz hat sich jedoch nicht durchgesetzt.
Ziel der Arbeit ist es, einen Ansatz zur Beschreibung, der in der Wellennut anliegenden Spannung abzuleiten, dabei soll neben einem physikalisch-technischem Ansatz ein empirischer Ansatz entstehen.
Die Arbeit unterteilt sich in folgende Teilaufgaben:
Schriftliche Darstellung der Ergebnisse
Literaturrecherche zum aktuellen Forschungsstand im Bereich von Passfederverbindungen und Festigkeitshypothesen
Numerische Untersuchungen zur Spannungsverteilung und Identifikation des Ortes mit der größten Spannung an genuteten Wellen
Experimentelle Validierung der Spannungsverteilung durch Versuche
Ableitung einer Gleichung zur Beschreibung der in der Wellennut auftretenden Spannungen
Exposé Thesis: Stress evaluation in notched shafts
Feather key connections (FKC) are a widely used form-fit shaft-hub connection (SHC). They are characterised by simple production and disassembly/assembly. The transmittable torque is determined using DIN 6892 [1], which is based on the limit load criterion of a critical surface pressure between the shaft keyway and feather key or between the hub keyway and feather key. The fatigue strength of the shaft is estimated using DIN 743 [2] or relevant guidelines such as [3], [4]. The nominal stress verifications assume a cylindrical cross-section for the notched shaft and estimate the stress concentration in the keyway with an experimentally determined notch coefficient β. Experiments such as in [5] show that this notch effect is significantly underestimated for torsionally stressed connections. One reason for this may be the error due to the application of the cylindrical cross-section for the resistance moment against torsion of the notched shaft. In an earlier research paper [6], the stress rise in the groove base of the shaft was estimated using a shape factor . However, this approach has not been established in industry.
The aim of the work is to derive an approach for describing the stress applied in the shaft groove, whereby an empirical approach is to be developed in addition to a physical-technical approach.
The work is divided into the following subtasks:
- Literature research on the current state of research in the field of feather key connections and fatigue strength hypotheses
- Numerical investigations into the stress distribution and identification of the location with the critical stress on notched shafts
- Experimental validation of the stress distribution through tests
- Derivation of an equation to describe the stresses occurring in the shaft notch
- Written presentation of the results
Literatur:
[2] „DIN 743, Tragfähigkeitsberechnung von Achsen und Wellen“. Beuth Verlag GmbH, 2012.
[3] R. Rennert, E. Kullig, M. Vormwald, A. Esderts, und D. Siegele, Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile. Frankfurt (Main): VDMA Verlag GmbH, 2012.
[4] C. Ulrich und L. Suchy, Richtlinie Dauerfestigkeitsberechnung von Wellen, Frankfurt (Main)., 2024.
[5] F. Kresinsky, „Übertragungsverhalten torsionsbeanspruchter Passfederverbindungen“, Technische Universität Chemnitz, Chemnitz, 2024.
[6] R. Baier und R. Schug, „Berechnung von Torsionsspannungen in einer Welle mit Paßfedernut“. Springer-Verlag, 1990.