Dynamischer Festigkeitsnachweis - BHS

Im Auftrag der Firma Voith Turbo BHS Getriebe GmbH führte das Institut für mechanische Systeme eine rechnerische und versuchstechnische Festigkeitsuntersuchung für Membrankupplungen durch. Die Festigkeitsberechnung erfolgte auf Basis einer Finite-Elemente-Simulation und einem darauf aufbauenden dynamischen Festigkeitsnachweis gemäss der FKM-Richtlinie. Zur Verifikation der Berechnung wurde ein spezieller Prüfstand aufgebaut, um die Bauteil- Wöhlerlinie zu ermitteln. 

Problemstellung

Die Firma Voith Turbo BHS Getriebe GmbH ist einer der weltführenden Hersteller von Getrieben und Kupplungen für Turboanlagen. Mit diesen Komponenten werden Leistungen von mehreren Megawatt übertragen. Die untersuchten Membrankupplungen sind für Drehmomente im zweistelligen kNm-Bereich ausgelegt, müssen aber auch hohe axiale und winkelige Verschiebungen zulassen, um unvermeidbare Wärmedehnungen verschiedener Komponenten im Antriebsstrang auszugleichen. Um die optimale Kupplung für den Kunden zielgerecht auszuwählen, sind genaue Kenntnisse über die zulässigen Belastungen notwendig.

Konzept

Basis der Berechnung bildeten detaillierte Finite-Elemente-Analysen für verschiedene statische Belastungsfälle. Darauf aufbauend wurde ein dynamischer Festigkeitsnachweis durchgeführt. Eine besondere Herausforderung ergab sich durch den Umstand, dass sowohl Mittelspannung als auch Ausschlagsspannung einen dreiachsigen Spannungszustand darstellen, bei denen die Hauptachsenrichtungen voneinander abweichen. Über Koordinatentransformationen wurde ein geschlossener analytischer Berechnungsansatz entwickelt, der auf alle Kupplungsgrössen anwendbar ist. Dauerfestigkeitsversuche bestätigten, dass dieser neue Berechnungsansatz die Lebendauer bzw. die zulässigen Belastungen für die Kupplungen sehr präzise vorhersagen kann.

Anwendungen

Dieser analytische Berechnungsansatz lässt sich in bestehende Auslegungsprogramme leicht integrieren. Damit steht dem Auftraggeber ein genaues und effizientes Tool zu Verfügung, um Kundenanforderungen durch zugeschnittene Bauteile zu erfüllen. Die Marktposition konnte durch dieses Projekt wesentlich gestärkt werden.