Eine Theorie der behinderten radialen Aufweitung am stirnseitig befestigten Freilauf

Hofmann, Sebastian GND

Freiläufe sind selbsttätig richtungsabhängig schaltende Kupplungen. Als solche übertragen sie ein Drehmoment nur in einer Richtung, wobei die Drehmomentübertragung innerhalb des Freilaufs in der industriellen Anwendung in der Regel kraftschlüssig erfolgt. Dieser radiale Reibschluss bedeutet hohe Normalkräfte, welche an den Klemmkontakten nach außen gerichtet wirken und dementsprechend eine radiale Aufweitung des Freilaufaußenrings bewirken. Für die Verbindung zwischen dem Freilaufau-ßenring und der kundenspezifischen Anschlusskonstruktion existieren mehrere gebräuchliche Möglichkeiten. Eine weitverbreitete Art der Befestigung stellt hier die stirnseitige Befestigung über eine rotationssymmetrische Mehrschraubenverbindung dar. Für die Schraubenverbindung ergeben sich durch die besondere Belastungssituation im Freilauf spezifische Lasten, die die kraft-schlüssige Übertragbarkeit in der stirnseitigen Verbindung reduzieren bzw. im Betrieb sogar gänzlich aufheben können. Die hinter dieser Reduktion stehenden Mechanismen, und inwiefern diese Reduktion durch die konstruktive Gestaltung der Anschlusskon-struktion eventuell abgeschwächt werden kann, waren jedoch unbekannt. Mit dieser Arbeit wird diese Lücke nun geschlossen. In Kapitel 1 wird mit Erklärungen der grundlegenden Funktionsweisen und Begrifflichkeiten stirnseitig befestigter Freiläufe begon-nen und das behandelte Problem und die Zielsetzung der Arbeit vorgegeben. Anschließend wird in Kapitel 2 eine Einordnung in den Stand der Technik vorgenommen und die Grundlagen der Berechnung quer belasteter Schraubenverbindungen nach den gängigen Auslegungsrichtlinien des Maschinenbaus (VDI 2230) und des Bauwesens (Eurocode 3) dargestellt. Kapitel 3 legt die Grundlagen zum Verständnis der in dieser Arbeit genutzten Theorien der Technischen Mechanik, besonders die im Maschinen-bau nicht sehr verbreitete Schalentheorie. Mit dem analytischen Modell in Kapitel 4 wird erstmals eine Modellvorstellung entwickelt, mit der sich die Auswirkung der freilauf-spezifisch hohen Radialkräfte auf die stirnseitige Verbindung beschreiben lässt. Die Reduktion der kraftschlüssigen Übertragbar-keit in der stirnseitigen Befestigung eines Freilaufs wird auf radiale Zusatzkräfte zurückgeführt, die infolge des Ausgleichs der ungleichen radialen Aufweitungen der stirnseitig miteinander verbundenen Körper des Freilaufaußenrings und der stirnseitigen Anschlusskonstruktion entstehen. In Kapitel 5 werden verschiedene Methoden zur Abschätzung dieser radialen Zusatzkräfte vorgestellt und untersucht. Hierbei werden zum einen mögliche Modellierungen von FE-Modellen stirnseitig befestigter Freiläufe untersucht und gezeigt, dass mit 2D-FE-Modellen mit einfachen Verbundkontakten eine gute Abschätzung dieser Kräfte erreicht wird. Für eine anschauliche Er-klärung der Zusammenhänge und der hinter den entstehenden Zusatzkräften stehenden Effekte ist ein FE-Modell jedoch eher ungeeignet. Deshalb wird in Abschnitt 5.3 ein elastomechanisches Berechnungsmodell zur Abschätzung der radialen Zusatz-kräfte vorgestellt. In diesem als kombiniertes Kreisring-Schalenmodell (kurz: kKS) bezeichnetem Berechnungsmodell wird der stirnseitige befestigte Freilauf mit seiner Anschlusskonstruktion als Verbund von Schalenkörpern und Kreisringscheiben (Ersatz-körper) beschrieben. Über das Kraftgrößenverfahren können anschließend die Kontaktkräfte und -momente zwischen den ein-zelnen Ersatzkörpern sowie unter jenen die radialen Zusatzkräfte berechnet werden. Es zeigte sich, dass mit diesem elastome-chanischen Modell in der Regel eine konservative Abschätzung der radialen Zusatzkräfte und damit auch der mit diesen ver-knüpften kraftschlüssig übertragbaren Drehmomente erreicht wird. Das kKS kann hierbei aufgrund der zugrunde liegenden ein-fachen analytischen Beschreibung systemunabhängig rechnergestützt umgesetzt werden und erlaubt so eine einfache und sehr schnelle Abschätzung der radialen Zusatzkräfte. Die in Kapitel 6 beschriebenen experimentellen Untersuchungen hatten zum einen das Ziel, die Berechnungsmethoden zu vali-dieren, und zum anderen, die Theorie der behinderten radialen Aufweitung zu überprüfen. Hierzu wurden vorbereitend Reibwer-tuntersuchungen an verschiedenen Prüflingen durchgeführt und ein dehnungsgesteuertes Verfahren zur Messung der Schrau-benvorspannung weiterentwickelt. Beides war erforderlich, um die in Unterabschnitt 6.4.1 beschriebenen Rutschversuche zum Nachweis der relativen Übertragbarkeit auswerten zu können. In diesen konnte gezeigt werden, dass die hohen Klemmnormal-kräfte am Freilauf eine Reduktion der kraftschlüssig übertragbaren Drehmomente bewirken. Mit Messungen der realen Aufwei-tungen des Freilaufaußenrings und dem Vergleich mit über das kKS berechneten und in FE-Modellen simulierten Aufweitungs-verläufen konnten in Unterabschnitt 6.4.2 die Abschätzungsmethoden aus Kapitel 5 validiert werden. Unter Nutzung des kKS werden in Kapitel 7 Hinweise zur optimalen Gestaltung eines stirnseitig befestigten Freilaufs und seiner unmittelbaren Anschlusskonstruktion gegeben, bevor in Kapitel 8 eine Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse dieser Ar-beit erfolgt. Die Arbeit endet mit einem Ausblick in Kapitel 9. Darin sind zum einen Ansätze enthalten, wie die Erkenntnisse dieser Arbeit auf weitere Gebiete, wie z.B. Flanschverbindungen an Druckbehältern und Rohren unter Innendruck, übertragen werden könnten und zum anderen, wie die Abschätzung durch das kKS weiter verbessert werden könnte.

Freewheels are directional switching clutches, that transmit torque only one directional. The torque transmission in industrial applications is normally achieved force-locking. The radial force-locking results in high normal forces that are pointed outwards at the clamping points and thus lead to a radial expansion of the outer ring of the freewheel. Various possibilities exist for the connection between the outer ring of the freewheel clutch and the customer-specific adjacent construction. A widely used mount-ing possibility is a front mount by a rotationally symmetric multi-bolted joint. Out of the special load situation in the freewheel clutch itself result specific loads, that can reduce the force-locking transmissibility in the front mount or rather completely nullify the force-locking during operation. The mechanisms behind this reduction and therefore how this reduction can potentially be softened by the physical design of the adjacent construction were yet unknown. This work closes this gap in knowledge now. Chapter 1 begins with explanations of the basic operating principles and the terminology of front mounted freewheel clutches. Further the discussed issue and the objective of this work is given. Joined by the placement in the state of the art and the fundamentals of calculating transversely loaded bolted joints after the common design guidelines in mechanical engineering (VDI 2230) and in civil engineering (Eurocode 3) in chapter 2. Chapter 3 lays the foundation for understanding the theories of engi-neering mechanics used in this work, in particular the, in mechanical engineering not very common, theory of shells. The analytical model in chapter 4 is the first model representation that describes the effects of the freewheel-specific high radial forces on the front mounted joint. The reduction in the force-locking transmissibility of a front mounted freewheel clutch is traced back to additional radial forces, which result out of the compensation of the unequal radial expansion of the front mounted bodies of the freewheels outer ring and the adjacent construction. In chapter 5 various methods of estimating these additional radial forces are presented and analyzed. In doing so different possible FE-models of front mounted freewheels are tested and it is shown that with 2D-FE-models which use simple bonding contacts a good estimate of these forces is achieved. But for a descriptive explanation of the relations and the effects behind the resulting additional forces a FE-model is rather inconvenient. Therefore, an elastomechanical calculation model for the estimation of the additional radial forces is presented in section 5.3. In this calculation model referred to as combined circular ring - shell model (in German: kombiniertes Kreisring-Schalenmodell -- or in short: kKS) the front mounted freewheel with its adjacent construction is described as a compound of shell bodies and circular ring discs (equivalent bodies). Using the flexibility method, the contact forces and moments between the individual equivalent bodies and among these the additional radial forces can be calculated. Usually a conservative estimation results with this elastomechanical model both for the additional radial forces and the linked force-locked transmittable torques. The kKS can be used computerized system-independently out of the underlying simple ana-lytical description. Thus, allowing a quick and easy estimate of the resulting additional radial forces. The experimental studies described in chapter 6 aimed, on the one hand, for the validation of the calculation methods and, on the other hand, to verify the theory of the restraint radial expansion. For this purpose, friction tests were carried out on various specimens and a strain-controlled method for measuring the bolt pretension was refined. Both was necessary in order to evaluate the sliding tests undertaken to prove the relative transmissibility as described in subsection 6.4.1. It could be shown that the high clamping normal forces in the freewheel lead to a reduction of the force-locking transmittable torques. By measuring the shape of the radial expansion along the freewheels outer ring and comparing it with the calculated shapes out of the kKS and the simulated shapes out of corresponding FE-models the estimation methods from chapter 5 could be validated in subsection 6.4.2. Using the kKS tips for an optimal design of the connection between a front mounted freewheel and its direct adjacent construction are given in chapter 7. Followed by a summary of the key findings of this work in chapter 8. This scientific work ends with an outlook in chapter 9, which contains for one thing, further approaches to transfer the findings of this work to other fields, as e.g. flange joints on pressure vessels and pipelines under inner pressure, and secondly, approaches on how the estimate through the kKS could be further refined.

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Hofmann, Sebastian: Eine Theorie der behinderten radialen Aufweitung am stirnseitig befestigten Freilauf. 2019.

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