Kreuzverzahnungen werden zur Leistungsübertragung und zur Verbindung von Wellen bei hohen Drehmomenten und geringem Bauraum eingesetzt. Es handelt sich hierbei um nichtschaltbare Kupplungen, die sich durch ihre parallelen Zähne auszeichnen. Diese sind in Zahnfelder gruppiert und stehen in einem Kreuzungswinkel zueinander. Die Zähne besitzen gerade Flanken sowie eine konstante Zahnhöhe. Zur Übertragung von Betriebslasten ist eine Vorspannkraft erforderlich. Die Spannkraft kann entweder durch eine zentrale Spannschraube oder durch mehrere dezentral angeordnete Schrauben aufgebracht werden. Bisher existieren keine Berechnungsverfahren zur Ermittlung von Beanspruchungen und Tragfähigkeiten. Aktuell liegen nur Geometrienormen für Kreuzverzahnungen vor. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher die Erstellung eines analytischen Tragfähigkeitsnachweises. Auf Grundlage von umfangreichen Geometrieuntersuchungen und der Analyse der Beanspruchung von Verzahnung und Verschraubung wurde für zentral und dezentral verspannte Kreuzverzahnungen ein FE-Netzgenerator entwickelt. Mit diesem wurde eine umfangreiche Variantenrechnung durchgeführt. Mittels FE-Analysen wurden für eine Vielzahl von Geometrievarianten Berechnungsfaktoren abgeleitet. Lastverteilung und Zahnfußspannungen in schadensrelevanten Bereichen können nun analytisch bestimmt werden. Daraus wird ein Berechnungskonzept abgeleitet, welches vier Einzelnachweise umfasst: Gewährleistung der erforderlichen Vorspannkraft (Abhebesicherheit der Rückflanken), Zahnfußtragfähigkeit, Zahnflankentragfähigkeit und die Schraubensicherheit. Experimentelle Untersuchungen lieferten eine Basis zur Verifizierung des entwickelten Tragfähigkeitsnachweises. Aus Bauteilversuchen wurden dauerhaft ertragbare Torsionsmomentamplituden ermittelt und relevante Schadensorte im Zahnfuß konnten festgestellt werden. Schraubenkraftmessungen lieferten neue Erkenntnisse zum Setzverhalten. Es wurden statische und dynamische Versuche durchgeführt. In FE-Simulationen konnte das Verhalten von Axialkräften zentraler Verspannschrauben bei schwellenden Torsionsmomenten ermittelt werden. Die Experimente bestätigten die Simulationsergebnisse. In der vorliegenden Arbeit wird aus theoretischen Betrachtungen, FE-Simulationen und experimentellen Untersuchungen eine analytische Methode für die beanspruchungsgerechte Auslegung und Dimensionierung von Kreuzverzahnungen erarbeitet.

Die FKM-Richtlinie dient dem Festigkeitsnachweis im Maschinenbau und verwandten Bereichen. Ihre Anwendung kann immer dann vereinbart werden, wenn keine spezielle Norm anzuwenden ist. Sie beschreibt die Nachweisführung für statische und zyklische Lasten an Bauteilen aus Stahl und Aluminiumwerkstoffen. Der Festigkeitsnachweis nach FKM-Richtlinie läuft stets nach dem gleichen Schema ab: -> Ermittlung der Werkstoffkennwerte -> Festlegung der Sicherheitsfaktoren -> Ermittlung der Beanspruchung -> Ermittlung des Auslastungsgrades Mit „FKM inside ANSYS“ steht dem ANSYS-Anwender ein Werkzeug zur Verfügung, das bei der richtlinienkonformen Nachweisführung unterstützt. Dabei erfolgt der Nachweis nicht geschweißter Volumenbauteile mit örtlichen Spannungen und der Nachweis geschweißter Volumenbauteile nach dem Strukturspannungskonzept. Insbesondere für zyklische Belastungen ist das Auffinden der Nachweisstellen – also der maximal beanspruchten Positionen – nicht immer trivial. Hier hilft „FKM inside ANSYS“, durch vollflächige Visualisierung des Auslastungsgrades auf den zu untersuchenden Bauteilen diese Positionen sicher zu bestimmen und zu bewerten. Es ergeben sich gegenüber einem manuellen Nachweis folgende Vorteile: -> Schnelle und einfache Definition der Nachweisparameter -> Schnelle Durchführung von Parameterstudien -> Schnelles und sicheres Auffinden der maximal beanspruchten Stellen -> Erleichterte Ergebnisinterpretation durch Visualisierung des Auslastungsgrades -> Automatische Berichterstellung an den Nachweispositionen

Der mit flüssigem Natrium gefüllte Druckbehälter eines Präzessionsexperimentes unterliegt im Betrieb einer Vielzahl an Belastungen. Neben den aus der Rotation und Präzession resultierenden Fliehkräften und dem gyroskopischen Moment müssen ebenfalls die fertigungsbedingten Unwuchten sowie die Fluid-Struktur-Interaktion berücksichtigt werden. Darüber hinaus stellen die bei der Erwärmung bzw. Abkühlung auftretenden thermischen Spannungen eine wesentliche Beanspruchung dar. Es wird ein Algorithmus vorgestellt, der es ermöglicht, alle diese transienten und winkelabhängigen Lasten bei minimalem Rechenaufwand in den Berechnungsprozess einzubeziehen und die für den statischen und zyklischen Festigkeitsnachweis nach FKM-Richtlinie maßgeblichen Beanspruchungen zu identifizieren. Dies ermöglicht die vollflächige Berechnung des Auslastungsgrades in ANSYS Workbench.

Für Festigkeitsnachweise hat sich die Methode der Finiten Elemente (FEM) als Goldstandard etabliert. Zwar wird sowohl bei der Modellbildung als auch bei der Auswertung der Ergebnisse nach wie vor eine intellektuelle Eigenleistung gefordert, die Ergebnisse selbst sind aber unter dieser Voraussetzung zuverlässig und tendenziell reproduzierbar. Dank der Leistungsfähigkeit der heutigen Arbeitsplatzrechner werden zunehmend große Produkte betrachtet – Assemblies, die aus einer Vielzahl unterschiedlichster Parts bzw. Baugruppen bestehen. Hier begegnen wir einem neuen Phänomen. Es gibt oft Basisstrukturen, in denen Detailstrukturen enthalten sind, deren geometrische Abmessungen sich um mehrere Größenordnungen von den Gesamtabmessungen unterscheiden können. Eine gemeinsame Elementierung erweist sich dabei als wenig sinnvoll. Ebenso findet man oft eine große Anzahl von Gleichteilen, für die im Prinzip jeweils eine Mustervernetzung genügt. Selbst wenn die FE-Software dies zulassen sollte, bleibt das Problem der extrem unterschiedlichen Elementgrößen innerhalb eines Modells. Das häufig propagierte defeaturing, für das sogar Automatisierungsansätze existieren, ist ebenso wenig zielführend, weil es auf geometrische Details bezogen ist, die nicht notwendig physikalische Funktionselemente darstellen. Gerade die physikalischen Eigenschaften der Parts sollten ja erhalten bleiben und in die Analyse einfließen. In Einzelfällen werden physikalisch motivierte Vereinfachungen praktiziert; so werden Wellen auf Balkenstrukturen reduziert, wenn man sich nur für die mechanischen Eigenschaften von Rotoren interessiert. Eine Verallgemeinerung und Systematisierung solcher Individualansätze auf größere Klassen von Strukturkomponenten ist bisher nicht untersucht worden.

Die Dissertation beschäftigt sich mit der grundlagenorientierten Untersuchung reibdauerbeanspruchter Stahl-Kontakte und deren Festigkeitsbewertung. Die Besonderheit bei der Bewertung reibdauerbeanspruchter Kontakte stellt die zusätzlich zur spannungsmechanischen Beanspruchung vorliegende tribologische Beanspruchung des Werkstoffes dar. Die ursächlich auf eine Anrissinitiierung in der Bauteiloberfläche zurückzuführende niedrigere Ermüdungsfestigkeit reibdauerbeanspruchter Bauteilverbindungen, zeigt sich in Abhängigkeit des Fugendrucks, des Schlupfes und des Werkstoffes. Basierend auf den genannten Einflussgrößen konnte in der vorliegenden Arbeit ein Berechnungsverfahren erarbeitet werden, welches eine betriebssichere Auslegung reibdauerbeanspruchter Fügeverbindungen ermöglicht. Das Verfahren basiert auf dem örtlichen Konzept der FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“ und implementiert den Schadenfall der Reibdauerermüdung durch einen Oberflächeneinflussfaktor, dem sogenannten Reibkorrosionsfaktor. Die tribologischen Beanspruchungsparameter Schlupf und Fugendruck werden dabei über eine Worst-Case-Betrachtung berücksichtigt. Durch eine von der Zugfestigkeit des Grundwerkstoffes abhängige Darstellung des Reibkorrosionsfaktors, konnte darüber hinaus eine systemspezifische Berechnung der Ermüdungsfestigkeit erreicht werden. Die Validierung des Berechnungsverfahrens erfolgte an einer Pleuelverbindung. / The doctoral thesis investigates basically the fretting fatigue strength of steel contacts and their strength assessment. Especially the tribological loading conditions which are present at the contact surface cause a specific method of the strength assessment of joined contacts. In this context, the lower fatigue strength of component connections under tribological loading conditions, which is the result of crack nucleation at the component surface, depends on the contact pressure, the slip and the basic-material. Based on these parameters, a calculation method was developed in the present study which allows a reliable design of component connections under fretting conditions. This method is based on the local concept of the FKM-guideline 'Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile' and introduces the fretting fatigue failure mechanism by a surface factor, the so-called fretting factor. These fretting factors are calculated empirically and based on a worst-case approach of the tribological parameters slip and contact pressure. Furthermore it is possible to determine the fretting factor according to the tensile strength of the basic-material. As a result of this, it is possible to calculate the system-specific fretting fatigue strength of joined steel-components. The improved calculation accuracy of the strength assessment was validated on connecting rods.

Der mit flüssigem Natrium gefüllte Druckbehälter eines Präzessionsexperimentes unterliegt im Betrieb einer Vielzahl an Belastungen. Neben den aus der Rotation und Präzession resultierenden Fliehkräften und dem gyroskopischen Moment müssen ebenfalls die fertigungsbedingten Unwuchten sowie die Fluid-Struktur-Interaktion berücksichtigt werden. Darüber hinaus stellen die bei der Erwärmung bzw. Abkühlung auftretenden thermischen Spannungen eine wesentliche Beanspruchung dar. Es wird ein Algorithmus vorgestellt, der es ermöglicht, alle diese transienten und winkelabhängigen Lasten bei minimalem Rechenaufwand in den Berechnungsprozess einzubeziehen und die für den statischen und zyklischen Festigkeitsnachweis nach FKM-Richtlinie maßgeblichen Beanspruchungen zu identifizieren. Dies ermöglicht die vollflächige Berechnung des Auslastungsgrades in ANSYS Workbench.