Drehmomentbelastung

Drehmomentbelastung bezeichnet die mechanische Belastung eines Bauteils durch ein Drehmoment, das um eine Achse wirkt. Sie erzeugt Verdrehungen und Schubspannungen und tritt typischerweise in Wellen, Achsen, Zahnrädern und anderen Antriebskomponenten auf. Die Belastung kann statisch oder zyklisch (ermüdungsbeanspruchend) sein.

Grundlagen: Bei einer zylindrischen Vollwelle gilt das Prinzip der Saint-Venant-Torsion. Die maximale Schubspannung tau_max ergibt sich am Außenradius r_max = d/2 und tau_max = T r_max / J, wobei T das Drehmoment und J das polare Flächenträgheitsmoment ist. Für eine runde Vollwelle gilt J = pi d^4 / 32; für eine hohle Welle J = pi (d_o^4 − d_i^4) / 32. Der Verdrehwinkel über die Länge L ergibt sich aus phi = T L / (G J), wobei G der Schubmodul des Materials ist. Die torsionale Steifigkeit beträgt k_t = G J / L.

Messung und Bewertung: Drehmomentbelastung lässt sich mit Drehmomentsensoren oder dynamischen Messsystemen erfassen. Die Verteilung der Schubspannung hängt von der Querschnittsgeometrie ab; bei komplexen Querschnitten sind oft numerische Methoden (Finite-Elemente) erforderlich. Zyklische Torsion führt zu Ermüdung; entsprechend werden zulässige Spannungen oder Verdrehwinkel mit Sicherheitsfaktoren und Lebensdauerschätzungen festgelegt.

Anwendungen und Design: In Wellen, Achsen, Kupplungen und Getrieben muss die zulässige Torsionsspannung und der zulässige Verdrehwinkel eingehalten werden. Geeignete Werkstoffe mit ausreichender Festigkeit und Ermüdungsresistenz sowie passende Geometrien verhindern Versagen durch torsionale Belastung.