Zur werkstoffgerechten Gestaltung und Auslegung hybrider Antriebswellen in Metall/Faser-Kunststoff-Verbund-Bauweise

Derzeitige Entwicklungen auf dem Gebiet der Antriebstechnik sind einerseits geprägt durch stetig steigende Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit technischer Erzeugnisse und andererseits durch eine zunehmende Verkürzung der Entwicklungs- und Produktlebenszyklen. Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) bieten in diesem Zusammenhang aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig hoher Flexibilität ein außergewöhnliches Potential für den Einsatz in Antriebswellen. Im Bereich der Lasteinleitungssysteme für Antriebswellen in Metall/Faser-Kunststoff-Verbund-Bauweise werden umfassende Untersuchungen zum Schädigungs- und Versagensverhalten bei Torsionsbelastung vorangetrieben. Eine praxistaugliche Methode zur effizienten Gestaltung und Auslegung derartiger hybrider Antriebswellen in Metall/Faser-Kunststoff-Verbund-Bauweise ist derzeit jedoch nicht verfügbar. In der vorliegenden Arbeit wird eine Vorgehensweise zur Erarbeitung praxistauglicher und werkstoffgerechter Gestaltungs- und Auslegungshinweise für hybride Antriebswellen in Metall/Faser-Kunststoff-Verbund-Bauweise am Beispiel der Pinverbindung erarbeitet. Dafür werden an der Pinverbindung die auftretenden Schädigungs- und Versagensphänomene bei der Einleitung von mechanischen Lasten identifiziert und modellhaft-experimentell untersucht. Basierend auf den dabei gewonnenen Erkenntnissen werden im Ingenieuralltag einsetzbare Gestaltungs- und Auslegungshinweise abgeleitet.:1 Einleitung 1 1.1 Zielstellung und Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Literaturübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 Struktur und Schädigungsverhalten der Pinverbindung unter Torsionslast 11 2.1 Die Pinverbindung als Lasteinleitung in Faserverbund-Antriebswellen . 11 2.2 Fertigungstechnologie und Verbundstruktur . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3 Verformungs- und Schädigungsvorgänge im Lasteinleitungsbereich . . . 23 3 Numerische Beanspruchungsanalyse der Gesamtverbindung 29 3.1 Modellbeschreibung und Simulationsplanung . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2 Ergebnisdarstellung und -interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3 Zusammenfassende Betrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4 Experimentelle Schädigungsanalyse und Kennwertermittlung 46 4.1 Planung und Spezifikation der Strukturversuche . . . . . . . . . . . . . 46 4.2 Prüfkörperfertigung und Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . 47 4.3 Verhalten der Pinverbindung unter Torsionslast . . . . . . . . . . . . . 50 4.4 Ermittlung technologiespezifischer Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . 59 4.5 Zusammenfassende Betrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5 Numerische Versagensanalyse 67 5.1 Makroskopische Versagensanalyse der metallischen Lasteinleitung . . . 67 5.1.1 Werkstoffmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.1.2 Modellierung der Gesamtstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.1.3 Schädigungsanalyse der metallischen Lasteinleitung . . . . . . . 72 5.1.4 Parametervariation und -analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.2 Mesoskopische Versagensanalyse der Faserverbund-Welle . . . . . . . . 79 5.2.1 Skalenübergreifendes FE-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.2.2 Anstrengungen des Laminates im Pineinflussbereich und im freien Wellenbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.3 Ergebnisinterpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6 Schädigungs- und Versagensbedingungen und Interaktionsanalyse 90 6.1 Relevante Schädigungs- und Versagensmoden und korrelierende Parameter 90 6.2 Formulierung der Versagensbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.3 Parameterinteraktionsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 7 Praxisgerechte Gestaltungs- und Auslegungshinweise 97 7.1 Gestaltungs- und Auslegungsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 7.1.1 Phase 1: Gestaltung und Auslegung der Welle . . . . . . . . . . 99 7.1.2 Phase 2: Gestaltung und Auslegung der Nabe . . . . . . . . . . 102 7.1.3 Phase 3: Auslegung der Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 7.2 Exemplarische Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 8 Zusammenfassung 121 Literaturverzeichnis 123 A Anhang 137 A.1 Experimentelle Schädigungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 A.2 Numerische Schädigungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 A.3 Ergänzungen zur exemplarischen Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . 145 A.4 Ingenieurschaubilder und -tabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14