Kreuzverzahnungen: Beanspruchung und Tragfähigkeit kreuzverzahnter Flanschverbindungen

Kreuzverzahnungen werden zur Leistungsübertragung und zur Verbindung von Wellen bei hohen Drehmomenten und geringem Bauraum eingesetzt. Es handelt sich hierbei um nichtschaltbare Kupplungen, die sich durch ihre parallelen Zähne auszeichnen. Diese sind in Zahnfelder gruppiert und stehen in einem Kreuzungswinkel zueinander. Die Zähne besitzen gerade Flanken sowie eine konstante Zahnhöhe. Zur Übertragung von Betriebslasten ist eine Vorspannkraft erforderlich. Die Spannkraft kann entweder durch eine zentrale Spannschraube oder durch mehrere dezentral angeordnete Schrauben aufgebracht werden. Bisher existieren keine Berechnungsverfahren zur Ermittlung von Beanspruchungen und Tragfähigkeiten. Aktuell liegen nur Geometrienormen für Kreuzverzahnungen vor. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher die Erstellung eines analytischen Tragfähigkeitsnachweises. Auf Grundlage von umfangreichen Geometrieuntersuchungen und der Analyse der Beanspruchung von Verzahnung und Verschraubung wurde für zentral und dezentral verspannte Kreuzverzahnungen ein FE-Netzgenerator entwickelt. Mit diesem wurde eine umfangreiche Variantenrechnung durchgeführt. Mittels FE-Analysen wurden für eine Vielzahl von Geometrievarianten Berechnungsfaktoren abgeleitet. Lastverteilung und Zahnfußspannungen in schadensrelevanten Bereichen können nun analytisch bestimmt werden. Daraus wird ein Berechnungskonzept abgeleitet, welches vier Einzelnachweise umfasst: Gewährleistung der erforderlichen Vorspannkraft (Abhebesicherheit der Rückflanken), Zahnfußtragfähigkeit, Zahnflankentragfähigkeit und die Schraubensicherheit. Experimentelle Untersuchungen lieferten eine Basis zur Verifizierung des entwickelten Tragfähigkeitsnachweises. Aus Bauteilversuchen wurden dauerhaft ertragbare Torsionsmomentamplituden ermittelt und relevante Schadensorte im Zahnfuß konnten festgestellt werden. Schraubenkraftmessungen lieferten neue Erkenntnisse zum Setzverhalten. Es wurden statische und dynamische Versuche durchgeführt. In FE-Simu