Hybride Querpressverbände mit Naben aus monolithischer Keramik

Forschungsbereich Rechnerunterstützte Produktentwicklung

Mit einer am IKTD entwickelten Auslegungsrichtlinie können Querpressverbände mit vollkeramischer Nabe dauerfest ausgelegt werden.

Hochleistungskeramiken werden aufgrund ihrer vorteilhaften Werkstoffeigenschaften wie beispielsweise der hohen Härte, der guten Verschleißfestigkeit, ihrer chemischen Beständigkeit etc. zunehmend für anspruchsvolle Einsatzbereiche mit schwierigen Umgebungsbedingungen gefordert, wo konventionelle Werkstoffe wie Metall oder Kunststoff häufig nicht mehr eingesetzt werden können. Für einen wirtschaftlichen Einsatz teurer keramischer Werkstoffe ist es vorteilhaft, diese nur dort einzusetzen, wo ihre Hochleistungseigenschaften gefordert sind. Um die keramischen Komponenten an die restliche Struktur anzubinden, sind in der Regel Welle-Nabe-Verbindungen erforderlich. Hierunter stellen Querpressverbände die keramikgerechteste Art der Verbindung dar, weil diese frei von geometrischen Kerben sind und die Krafteinleitung in einem großen Bereich erfolgt.

Bild 1: Spannungsspitzen am Nabenrand
Bild 1: Spannungsspitzen am Nabenrand

Problem

Aufgrund eines Steifigkeitssprunges entstehen bei Querpressverbänden am Nabenanfang und -ende Spannungsspitzen, die besonders bei spröden Nabenmaterialien zu einem sofortigen Versagen der Verbindung führen können. Für einen sicheren Einsatz hybrider Pressverbände müssen diese Spannungsspitzen vermieden werden.

Bild 2: Kontur
Bild 2: Kontur

Vorgehensweise

Durch eine lokale Reduzierung des Übermaßes über eine Konturierung der Stahlwelle kann der Fugendruck in der Verbindung und damit einhergehend die versagenskritische Zugspannung in der Keramiknabe gezielt eingestellt werden. Die erforderliche Konturierung wird durch komplexe numerische Analysen bestimmt.

Bild 3: Hybrider Querpressverband
Bild 3: Hybrider Querpressverband

Ergebnisse

Mit der am Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design entwickelten Auslegungsrichtlinie ist eine dauerfeste Auslegung von Querpressverbänden mit Naben aus monolithischer Keramik möglich.

Bild 4: Anwendungsbeispiele
Bild 4: Anwendungsbeispiele

Praktische Anwendung

Für technische Einsatzgebiete wurde dieses Auslegungsverfahren erstmals für Pumpenlaufräder von Tauchmotorpumpen angewendet. In Versuchen konnte die enorme Erhöhung der Standzeit keramischer Laufräder nachgewiesen werden. Im Vergleich zum teilweise massiven Verschleiß an Metalllaufrädern zeigten Keramiklaufräder nur minimale Verschleißspuren.

Ansprechpartner

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Markus Wagner

Dipl.-Ing.

Gruppenleiter Rechnerunterstützte Produktentwicklung

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