Durch die zunehmende technologische Entwicklung des Getriebe-, Gelenkwellen-, Werkzeugmaschinen-, Kraftfahrzeug-, sowie Landmaschinenbaus steigen die zu übertragenden Leistungen und Drehmomente enorm. Dies führt zu einem wachsenden Bedarf an formschlüssigen Profilwellenverbindungen und deren erhöhter Lebensdauer und Genauigkeit. Hierbei bilden die Zahnwellenverbindungen (ZWVen) mit Evolventenflanken nach DIN 5480 /N1/ den Regelfall für eine Vielzahl der Anwendung. Abhängig von Festigkeitsüberlegungen, Herstellungsverfahren und Platzbedarf treten in der Praxis nahezu ausschließlich die folgenden zwei Grundtypen auf. Es handelt sich dabei zum Ersten um die Zahnwelle (ZW) mit freiem Auslauf.Die zweite Geometrievariante ist die Zahnwelle mit gebundenem Auslauf, die eine nach DIN 471 /N2/ genormte Sicherungsringnut (SRN) enthalten kann. Zahnwellenverbindungen dienen zur Übertragung großer, wechselnder und stoßartiger Drehmomente ohne zusätzliches Verbindungselement durch die Profilierung der Welle und Nabe. Axiale Verschiebbarkeit unter Last, Profilverschiebungsmöglichkeit, einfache Montage und Demontage sowie die Herstellung mit hochleistungsfähigen umformenden und spanenden Massenfertigungsverfahren, die die Herstellungskosten verhältnismäßig niedrig halten, sind technisch bedeutsame Eigenschaften, die zum ansteigenden Einsatz von ZWVen führen (z.B. /N1/, /Vil84/, /Koh86/ und /Wes96/). Starke Kerbwirkung und erhebliche Überdimensionierung benachbarter Gestaltungszonen sind die wesentlichen Schwachpunkte der Profilverbindungen. Eine große Anzahl (ca. 80 %) von Ausfällen im Maschinenbau ist auf Schäden an Achsen und Wellen infolge konstruktiv bedingter Kerben zurückzuführen (z.B. /N3/ und /Hai89/). Speziell im Bereich der hochbeanspruchten Profilwellen-Verbindungen kommt es auf Grund der starken Querschnittsveränderungen und der häufig angewandten Ausläufe und Formelemente, z. B. Zahn- und Keilwellen zu Kerbwirkungen, die erhebliche örtliche Spannungskonzentrationen sowohl im Zahnfußbereich und Zahnlückenauslauf als auch im Bereich der Verbindung selbst verursachen. Diese Beanspruchungskonzentrationen sind fast in der Hälfte aller Zahnwellenbrüche die häufigste Ursache für Dauerbrüche (Ermüdungs- bzw. Schwingungsbrüche) und für Schäden (bleibende Verformung, Anriss, Gewaltbruch) infolge Maximalbelastung. Hier trifft die Lastüberhöhung am Welle-Nabe-Verbindungsrand mit dem Steifigkeitssprung des Verzahnungsendes auf der Welle zusammen /Die93/. Die erwähnten Schadensfälle belegen, dass der heutige Kenntnisstand über eine beanspruchungsgerechte Auslegung von Zahnwellen noch recht lückenhaft ist. Deshalb sind neue Erkenntnisse über Form- bzw. Kerbwirkungszahlen bei Einzel- und Mehrfachkerben von scharf und weniger scharf gekerbten Zahnwellen mit Auslauf für eine treffsichere Festigkeitsberechnung erforderlich und stellen damit die Hauptschwerpunkte dieser Arbeit dar. Das vorliegende Forschungsprojekt, welches sich erstmals mit der Ermittlung der Beanspruchungen in torsions-, und biegebelasteten Zahnwellen mit freiem und gebundenem Auslauf befasst, wurde im Rahmen der Forschungsvereinigung für Antriebstechnik e.V. (FVA) unter der Nummer T 467 und dem Forschungsthema „ Ermittlung der Kerbwirkung bei Profilwellen für die praktische Getriebeberechnung von Zahnwellen“ initiiert und untersucht.

In der Praxis weisen Wellen und Achsen häufig komplex gestaltete oder überlagerte Kerbformen (Mehrfachkerben) auf, die von normativen Methoden zur Berechnung der Ermüdungsfestigkeit nicht erfasst sind. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher der Zusammenführung von Kerbspannungsergebnissen einer Finite-Elemente-Analyse mit dem genormten Ermüdungsfestigkeitsnachweis nach DIN 743. Dazu erfolgt die Ableitung einer neuen, spannungsmechanisch begründeten Berechnungsmethode zur Integration von örtlich mehrachsigen Spannungszuständen in den nennspannungsbasierten Tragfähigkeitsnachweis. Die grundlegende Vorgehensweise der Norm wird nicht verändert. Sensitivitätsanalysen an einem Anwendungsbeispiel liefern zentrale Aussagen zur Relevanz verschiedener festigkeitsbeeinflussender Effekte bei Mehrfachkerben. Die Ergebnisse münden in einer anwendungsbereiten und ganzheitlichen Berechnungsanleitung für die Ermüdungsfestigkeitsberechnung von Bauteilen mit Mehrfachkerben in Anlehnung an DIN 743. Der zweite Teil der Arbeit wendet die erarbeitete Methode auf eine in der Konstruktionspraxis immer wiederkehrende Mehrfachkerbe, die Zahnwellenverbindung mit freiem Zahnauslauf, an. Als Ergebnis einer umfangreichen Parameterstudie liegen dem Anwender Berechnungsfaktoren zur Erfassung der Kerbwirkung für Zahnwellenverbindungen nach DIN 5480 in Abhängigkeit von zahlreichen geometrischen Einflussparametern vor. Abschließend werden die entwickelten Berechnungsmethode im Allgemeinen und die ermittelten normspezifischen Kennwerte für Zahnwellenverbindungen im Speziellen an vorhandenen experimentellen Stichversuchen aus der Literatur gespiegelt.

Wellen und Achsen im Bereich der Antriebstechnik erfahren in den überwiegenden Anwendungen zyklische Beanspruchungen. Folglich ist für die Festigkeitsberechnung im Nennspannungskonzept eine möglichst exakte Kenntnis der Bauteilwöhlerlinie von zentraler Bedeutung. Halbzeug-Größe, Spannungsformzahl und die statischen Maximallasten beeinflussen neben weiteren Faktoren die Charakteristik der Wöhlerlinie bzw. die Dauerfestigkeit. Im Zusammenhang mit der Weiterentwicklung der Norm DIN 743 gilt diesen Größen der Fokus. Die vorliegende Arbeit betrachtet die Abschätzung der Zug-Druck-Wechselfestigkeit basierend auf dem technologischen Größeneinflussfaktor sowie der Makrohärte und deren Übertragbarkeit auf große Bauteildimensionen. In dem Zusammenhang wird der technologische Größeneinflussfaktor für Durchmesser bis 700 mm anhand einer numerisch-analytischen Simulation ermittelt und zudem mit Härtemessungen validiert. Ferner wird auf Grundlage von Treppenstufenversuchen die Abschätzung der Zug-Druck-Wechselfestigkeit aus der Härte für große Halbzeugdimensionen betrachtet. Neben dem technologischen Größeneinflussfaktor abhängig von der Härtbarkeit liegen als Ergebnisse Zusammenhänge zur Abschätzung der Zug-Druck-Wechselfestigkeit aus der Härte für große Halbzeuge vor. Darüber hinaus wird mit experimentellen Untersuchungen die Wöhlerlinie im Zeitfestigkeitsbereich analysiert. Basierend darauf werden der Wöhlerexponent sowie die Knick-Schwingspielzahl zur Dauerdauerfestigkeit in Abhängigkeit von der Formzahl abgeleitet. Abschließend widmet sich die Arbeit den Auswirkungen von statischen Maximallasten auf die Dauerfestigkeit. Dazu werden die lokalen elastisch-plastischen Beanspruchungen infolge von Maximallasten mit dem Örtlichen Konzept erfasst und in Treppenstufenversuchen die Dauerfestigkeit mit zusätzlicher Maximallast betrachtet. Ausgehend davon wird ein Konzept zur Abschätzung der lokalen Beanspruchungen sowie der lokalen Dauerfestigkeit bei Berücksichtigung des Einflusses der Maximallasten vorgestellt. / Shafts and axles of drive systems are stressed by cyclic loads in most applications. Therefore, an accurate calculation of the S-N-curve is fundamental for the system’s strength assessment based on nominal stresses. Component size, the stress concentration factor, and static loads influence the behavior of the S-N-curve and the fatigue strength, among others. In the context of a further development of the standard DIN 743, the scope is these values. This thesis focuses on the estimation of the fatigue strength for tension/compression based on the technological size factor as well as the macro hardness and their transferability to larger component sizes. In this context the technological size factor is determined by a numeric-analytical simulation for diameters up to 700 mm and is also validated with hardness measurements. Furthermore, the estimation of the fatigue strength for larger component sizes based on the hardness is supported by fatigue tests. In addition to the technological size factor depending on the hardenability, the results are obtained by an estimation approach for large components between the fatigue strength for tension/compression and the hardness. In the next step, the S-N-curve is analyzed with experimental investigations for the finite life area. Based on this, the slope of the S-N-curve (“Woehler slope”) and the knee point for the endurance limit depending on the stress concentration factor are determined. Finally, the thesis deals with the impact of static loads on fatigue strength. For this purpose, the local elastic-plastic stress-strain behavior due to static loads is calculated with the strain life assessment (local concept) and the fatigue strength influenced by static loads is analyzed as well. Based on this, an approach for the estimation of local stress-strain behavior and for the fatigue strength considering the static loads are proposed.

Durch die zunehmende technologische Entwicklung des Getriebe-, Gelenkwellen-, Werkzeugmaschinen-, Kraftfahrzeug-, sowie Landmaschinenbaus steigen die zu übertragenden Leistungen und Drehmomente enorm. Dies führt zu einem wachsenden Bedarf an formschlüssigen Profilwellenverbindungen und deren erhöhter Lebensdauer und Genauigkeit. Hierbei bilden die Zahnwellenverbindungen (ZWVen) mit Evolventenflanken nach DIN 5480 /N1/ den Regelfall für eine Vielzahl der Anwendung. Abhängig von Festigkeitsüberlegungen, Herstellungsverfahren und Platzbedarf treten in der Praxis nahezu ausschließlich die folgenden zwei Grundtypen auf. Es handelt sich dabei zum Ersten um die Zahnwelle (ZW) mit freiem Auslauf.Die zweite Geometrievariante ist die Zahnwelle mit gebundenem Auslauf, die eine nach DIN 471 /N2/ genormte Sicherungsringnut (SRN) enthalten kann. Zahnwellenverbindungen dienen zur Übertragung großer, wechselnder und stoßartiger Drehmomente ohne zusätzliches Verbindungselement durch die Profilierung der Welle und Nabe. Axiale Verschiebbarkeit unter Last, Profilverschiebungsmöglichkeit, einfache Montage und Demontage sowie die Herstellung mit hochleistungsfähigen umformenden und spanenden Massenfertigungsverfahren, die die Herstellungskosten verhältnismäßig niedrig halten, sind technisch bedeutsame Eigenschaften, die zum ansteigenden Einsatz von ZWVen führen (z.B. /N1/, /Vil84/, /Koh86/ und /Wes96/). Starke Kerbwirkung und erhebliche Überdimensionierung benachbarter Gestaltungszonen sind die wesentlichen Schwachpunkte der Profilverbindungen. Eine große Anzahl (ca. 80 %) von Ausfällen im Maschinenbau ist auf Schäden an Achsen und Wellen infolge konstruktiv bedingter Kerben zurückzuführen (z.B. /N3/ und /Hai89/). Speziell im Bereich der hochbeanspruchten Profilwellen-Verbindungen kommt es auf Grund der starken Querschnittsveränderungen und der häufig angewandten Ausläufe und Formelemente, z. B. Zahn- und Keilwellen zu Kerbwirkungen, die erhebliche örtliche Spannungskonzentrationen sowohl im Zahnfußbereich und Zahnlückenauslauf als auch im Bereich der Verbindung selbst verursachen. Diese Beanspruchungskonzentrationen sind fast in der Hälfte aller Zahnwellenbrüche die häufigste Ursache für Dauerbrüche (Ermüdungs- bzw. Schwingungsbrüche) und für Schäden (bleibende Verformung, Anriss, Gewaltbruch) infolge Maximalbelastung. Hier trifft die Lastüberhöhung am Welle-Nabe-Verbindungsrand mit dem Steifigkeitssprung des Verzahnungsendes auf der Welle zusammen /Die93/. Die erwähnten Schadensfälle belegen, dass der heutige Kenntnisstand über eine beanspruchungsgerechte Auslegung von Zahnwellen noch recht lückenhaft ist. Deshalb sind neue Erkenntnisse über Form- bzw. Kerbwirkungszahlen bei Einzel- und Mehrfachkerben von scharf und weniger scharf gekerbten Zahnwellen mit Auslauf für eine treffsichere Festigkeitsberechnung erforderlich und stellen damit die Hauptschwerpunkte dieser Arbeit dar. Das vorliegende Forschungsprojekt, welches sich erstmals mit der Ermittlung der Beanspruchungen in torsions-, und biegebelasteten Zahnwellen mit freiem und gebundenem Auslauf befasst, wurde im Rahmen der Forschungsvereinigung für Antriebstechnik e.V. (FVA) unter der Nummer T 467 und dem Forschungsthema „ Ermittlung der Kerbwirkung bei Profilwellen für die praktische Getriebeberechnung von Zahnwellen“ initiiert und untersucht.