Der hier vorliegende Vortrag beschreibt erste Untersuchungsergebnisse mit dem CAE-Programm "Creo Simulate" im Vergleich zum Programm "Ansys Workbench" zur Berechnung der Spannungsformzahlen sowie der örtlichen Kerbspannungen an gekerbten Konstruktionselementen. Der Vortrag beginnt mit einer Einleitung zur Geschichte der Kerbwirkungsforschung. Es werden Schadensfälle dargestellt und anschließend die Grundlagen zur Berechnung der Form- und Kerbwirkungszahlen kurz beschrieben. Es wird fortgesetzt mit der Durchführung von Konvergenz-Untersuchungen an Vollwellen mit SR-Nuten nach DIN 471 sowie an Vollwellen mit Absatz nach DIN 743 bei Zug- und Torsionsbelastung. Die Konvergenz-Berechnungsergebnisse wurden zusammengestellt und kurz kommentiert. Weiterhin wurden FE-Berechnungen zur Bestimmung der Spannungsformzahlen an Hohlwellen mit Absatz sowie an Vollwellen mit einer Kerbüberlagerung "Absatz und Querbohrung" bei Zug-, Biege, und Torsionsbelastung durchgeführt. Es wurden entsprechende Formzahldiagramme und Formzahlwerte sowie Spannungsverteilungsbilder je nach Belastungsart und Vergleichsspannungshypothese (GEH bzw. NSH) angegeben. Eine Möglichkeit zur Herabsetzung der Kerbwirkung an der kritischen Kerbstelle besteht in der absichtlichen Anwendung von Zusatzkerben, welche der Hauptkerbe benachbart sind. Derartige Entlastungskerben können zwar eine bedeutende Spannungsverminderung an der gefährdeten Stelle ergeben, an den Entlastungskerben entstehen jedoch neue Spannungsspitzen, die sich u. U. ungünstig auswirken. Zur Milderung von Kerbwirkungen durch konstruktive Entlastungskerben wurden exemplarische FEM-Untersuchungen an Vollwellen mit Absatz und an Kerbzahnwellen nach DIN 5481 bei Zug-, Biege- und Torsionsbelastung ausgeführt. Die Einflüsse der rechteckigen Form der Entlastungsnut auf die Formzahlen je Belastungsart wurden präsentiert und kurz diskutiert. Ebenfalls wurden auch die Kerbwirkungen an Evolventen-Zahnwellenverbindungen nach DIN 5480 mit freiem Auslauf und mit gebundenem Auslauf sowie mit Sicherungsringnuten nach DIN 471 untersucht, mit dem Ziel, den Ort der Spannungsmaxima und deren Verteilung, die Höhe der Kerbspannungen und den Einfluss der Sicherungsringnut auf die Spannungsüberhöhungen in den kritischen Bereichen zu erfassen. Es wurden zusätzlich weitere FE-Untersuchungen zu den Spannungsüberhöhungen an komplexen Gussbauteilen am Beispiel eines Planetenträgers für Planetengetriebe im Einatzbereich der Windkraftanlagen realisiert. Die Festlegung der Randbedingungen wurde kurz präsentiert und die sich daraus ergebenden Ergebnisse dargestellt. In diesem Vortrag wurde auch die Entwicklung eines neuen didaktischen Konzepts für die Konstruktionsausbildung zur Verbesserung der Präsentationskompetenz und Teamfähigkeit der Studierenden kurz beschrieben und über erste Erfahrungen aus der Umsetzung in die Lehrveranstaltung "CAD/CAE" berichtet. Die Studierenden erarbeiten in nach der Rundlitzenseilmethode strukturierten Gruppen unter Berücksichtigung der heterogenen Umgebung numerische Lösungen zu Variantenrechnungen von Aufgaben. Die Studierenden präsentieren ihre Ergebnisse in Form von 100-Sekunden-Vorträgen. Bei der Entwicklung dieser Methode lässt man sich durch den Karatesport inspirieren. Es wurden verschiedene Kriterien zur Bewertung der Micro-Präsentationen festgelegt und angewandt. Erste Erfahrungen mit der Umsetzung dieser Methodenkombination sind erfolgversprechend. Eine detaillierte statistisch-psychologische Evaluation dieses didaktischen Konzepts ist Ziel weiterführender Untersuchungen.

Der hier vorliegende Vortrag beschreibt erste Untersuchungsergebnisse mit dem CAE-Programm "Creo Simulate" im Vergleich zum Programm "Ansys Workbench" zur Berechnung der Spannungsformzahlen sowie der örtlichen Kerbspannungen an gekerbten Konstruktionselementen. Der Vortrag beginnt mit einer Einleitung zur Geschichte der Kerbwirkungsforschung. Es werden Schadensfälle dargestellt und anschließend die Grundlagen zur Berechnung der Form- und Kerbwirkungszahlen kurz beschrieben. Es wird fortgesetzt mit der Durchführung von Konvergenz-Untersuchungen an Vollwellen mit SR-Nuten nach DIN 471 sowie an Vollwellen mit Absatz nach DIN 743 bei Zug- und Torsionsbelastung. Die Konvergenz-Berechnungsergebnisse wurden zusammengestellt und kurz kommentiert. Weiterhin wurden FE-Berechnungen zur Bestimmung der Spannungsformzahlen an Hohlwellen mit Absatz sowie an Vollwellen mit einer Kerbüberlagerung "Absatz und Querbohrung" bei Zug-, Biege, und Torsionsbelastung durchgeführt. Es wurden entsprechende Formzahldiagramme und Formzahlwerte sowie Spannungsverteilungsbilder je nach Belastungsart und Vergleichsspannungshypothese (GEH bzw. NSH) angegeben. Eine Möglichkeit zur Herabsetzung der Kerbwirkung an der kritischen Kerbstelle besteht in der absichtlichen Anwendung von Zusatzkerben, welche der Hauptkerbe benachbart sind. Derartige Entlastungskerben können zwar eine bedeutende Spannungsverminderung an der gefährdeten Stelle ergeben, an den Entlastungskerben entstehen jedoch neue Spannungsspitzen, die sich u. U. ungünstig auswirken. Zur Milderung von Kerbwirkungen durch konstruktive Entlastungskerben wurden exemplarische FEM-Untersuchungen an Vollwellen mit Absatz und an Kerbzahnwellen nach DIN 5481 bei Zug-, Biege- und Torsionsbelastung ausgeführt. Die Einflüsse der rechteckigen Form der Entlastungsnut auf die Formzahlen je Belastungsart wurden präsentiert und kurz diskutiert. Ebenfalls wurden auch die Kerbwirkungen an Evolventen-Zahnwellenverbindungen nach DIN 5480 mit freiem Auslauf und mit gebundenem Auslauf sowie mit Sicherungsringnuten nach DIN 471 untersucht, mit dem Ziel, den Ort der Spannungsmaxima und deren Verteilung, die Höhe der Kerbspannungen und den Einfluss der Sicherungsringnut auf die Spannungsüberhöhungen in den kritischen Bereichen zu erfassen. Es wurden zusätzlich weitere FE-Untersuchungen zu den Spannungsüberhöhungen an komplexen Gussbauteilen am Beispiel eines Planetenträgers für Planetengetriebe im Einatzbereich der Windkraftanlagen realisiert. Die Festlegung der Randbedingungen wurde kurz präsentiert und die sich daraus ergebenden Ergebnisse dargestellt. In diesem Vortrag wurde auch die Entwicklung eines neuen didaktischen Konzepts für die Konstruktionsausbildung zur Verbesserung der Präsentationskompetenz und Teamfähigkeit der Studierenden kurz beschrieben und über erste Erfahrungen aus der Umsetzung in die Lehrveranstaltung "CAD/CAE" berichtet. Die Studierenden erarbeiten in nach der Rundlitzenseilmethode strukturierten Gruppen unter Berücksichtigung der heterogenen Umgebung numerische Lösungen zu Variantenrechnungen von Aufgaben. Die Studierenden präsentieren ihre Ergebnisse in Form von 100-Sekunden-Vorträgen. Bei der Entwicklung dieser Methode lässt man sich durch den Karatesport inspirieren. Es wurden verschiedene Kriterien zur Bewertung der Micro-Präsentationen festgelegt und angewandt. Erste Erfahrungen mit der Umsetzung dieser Methodenkombination sind erfolgversprechend. Eine detaillierte statistisch-psychologische Evaluation dieses didaktischen Konzepts ist Ziel weiterführender Untersuchungen.

Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zur Dimensionierung von hypotrochoidischen Polygonwellen (H-Profile) und H-Profil-Polygon-Welle-Nabe-Verbindungen (H-PWNV) leisten. Die wesentliche Motivation ist dabei das Schließen vorhandener Wissenslücken im Hinblick auf Form- und Kerbwirkungszahlen torsionsbelasteter H-Profil-Wellen und das mechanische Verhalten im Profilauslauf (Übergangsradius) torsionsbelasteter H-PWNV. Dazu werden umfangreiche numerische Untersuchungen mit der FEM durchgeführt. Hierbei steht der Einfluss der Profilform auf die mechanischen Eigenschaften der H-Profile im Vordergrund. Zur Beurteilung des Profilformeinflusses werden zunächst die Formzahlen torsionsbelasteter H-Profil-Wellen ermittelt. Auf Grundlage der FE-Ergebnisse werden empirische Berechnungs-ansätze zur Formzahlberechnung hergleitet, um zukünftig die Formzahlermittlung ohne aufwendige numerische oder experimentelle Verfahren zu ermöglichen. Die ermittelten Formzahlen ermöglichen die Berechnung der maximalen Torsionsspannung, des übertragbaren Torsionsmomentes und des erforderlichen Wellendurchmessers. Um Aussagen zum Tragverhalten bei dynamischer Beanspruchung abzuleiten, werden mit den vorliegenden Formzahlen die Kerbwirkungszahlen der torsionsbelasteten H-Profil-Wellen ermittelt. Die erforderliche Stützziffer wird dazu nach DIN 743 und der FKM-Richtlinie mit örtlichen Spannungen berechnet. Die ermittelten Kerbwirkungszahlen für H-Profil-Wellen ermöglichen durch einen Vergleich mit bereits vorliegenden experimentellen Ergebnissen erstmals eine Quantifizierung des Naben- bzw. Verbindungseinflusses bei dynamischer Beanspruchung. Eine häufig beobachtete Versagensursache bei formschlüssigen Welle-Nabe-Verbindungen ist der Bruch der Wellen im Profilauslauf, d.h. im Übergangsbereich zwischen profiliertem und zylindrischem Wellenquerschnitt. Für H-PWNV liegen diesbezüglich bislang noch keine Erkenntnisse vor. Aus diesem Grund werden für verschiedene H-PWNV die Formzahlen im Profilauslauf ermittelt und mit dem Evolventenzahnprofil nach DIN 5480 verglichen. Dabei erfolgt auch eine Variation des Reibwertes und Belastungsgröße.:1 Einleitung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 3 Geometrie und Herstellung 4 Formzahlen torsionsbelasteter H-Profil-Wellen 5 Kerbwirkungszahlen torsionsbelasteter H-Profil-Wellen 6 Untersuchungen der Formzahl im Auslauf von H-Profil-Polygon-Welle-Nabe-Verbindungen 7 Zusammenfassung und Ausblick 8 Literatur 9 Anhang

Als Stand der Technik sind einfache, kreisförmige Verrundungen zur Reduktion von Kerbspannungen an Querschnittsübergängen bekannt, für die aus Tabellenwerken / Diagrammen in der Literatur die Formzahl einfach abgelesen werden kann. Die Effizienz der Spannungsreduktion solcher Lösungen ist jedoch sehr begrenzt. Ziel der Arbeit ist es daher, dem Konstrukteur bzw. Berechnungsingenieur ein Verfahren in die Hand zu geben, mit dem er für Standardquerschnittsübergänge und Standardlastfälle "Nicht-Kreiskerben" ohne teure und zeitaufwendige FEM-Analyse einfach durch Nutzung geeigneter Formzahldiagramme auslegen kann. Dabei sind sogar Formzahlen von nahezu eins möglich, d.h., in der "Kerbe" bleibt praktisch nur noch die Nennspannung übrig. Die Präsentation ist zweitgeteilt: Im ersten Teil werden die Arbeitsmethoden bzw. Softwarefunktionen und verwendeten Softwarewerkzeuge vorgestellt: Dies sind die Programme Creo Parametric als vollparametrisches CAD-Werkzeug und Creo Simulate als p-FEM-Programm der Parametric Technology Coprporation (PTC). Der zweite Teil der Präsentation beschreibt den Gültigkeitsbereich sowie die untersuchten Kerbgeometrien: Die einfache kreisförmige Verrundung als Stand der Technik, die Zwei-Radien-Kerbe, die Baud-Kurve, die Methode der Zugdreiecke nach Claus Mattheck, die elliptische Kerbe sowie die konische Rundung als generalisierte elliptische Kerbe. Es wird kurz eine Bibliothek vorgestellt, mit der solche Kerben einfach ausgelegt werden können, d.h. Ihre exakte Geometrie festgelegt sowie die zugehörige Formzahl αk bestimmt werden kann. / Circular (one-radius) fillets are known as state-of-the-art for reducing notch stresses at cross section transitions. The stress concentration factor Kt of such geometries can be read out from diagrams/tables given in the literature. However, the efficiency of stress reduction of circular notches is very limited. The goal of the work therefor is to present a method for the designer/analyst how to design non-circular notches/fillets just by using suitable Kt-diagrams without time-consuming and expensive FEM analyses. Kt-numbers of nearly one are possible, that means in the "notch" just the nominal stress appears and no stress concentration takes place. The presentation has two parts: Part one describes the working methods and software functions as well as software tools: Creo Parametric as fully-parametric CAD program and Creo Simulate as embedded p-FEM-tool from Parametric Technology Corporation (PTC) have been used. The second part describes the range of validity and the examined notch geometries: The one-radius fillet as state-of-the-art, the two-radii filet, the Baud-curve, the method of tensile triangles from Claus Mattheck, the standard elliptical fillet and the conical round as generalized elliptical fillet. A notch layout library is shortly presented that allows to design such fillets, that means exactly determine the notch geometry and the related stress concentration factor Kt.

Als Stand der Technik sind einfache, kreisförmige Verrundungen zur Reduktion von Kerbspannungen an Querschnittsübergängen bekannt, für die aus Tabellenwerken / Diagrammen in der Literatur die Formzahl einfach abgelesen werden kann. Die Effizienz der Spannungsreduktion solcher Lösungen ist jedoch sehr begrenzt. Ziel der Arbeit ist es daher, dem Konstrukteur bzw. Berechnungsingenieur ein Verfahren in die Hand zu geben, mit dem er für Standardquerschnittsübergänge und Standardlastfälle "Nicht-Kreiskerben" ohne teure und zeitaufwendige FEM-Analyse einfach durch Nutzung geeigneter Formzahldiagramme auslegen kann. Dabei sind sogar Formzahlen von nahezu eins möglich, d.h., in der "Kerbe" bleibt praktisch nur noch die Nennspannung übrig. Die Präsentation ist zweitgeteilt: Im ersten Teil werden die Arbeitsmethoden bzw. Softwarefunktionen und verwendeten Softwarewerkzeuge vorgestellt: Dies sind die Programme Creo Parametric als vollparametrisches CAD-Werkzeug und Creo Simulate als p-FEM-Programm der Parametric Technology Coprporation (PTC). Der zweite Teil der Präsentation beschreibt den Gültigkeitsbereich sowie die untersuchten Kerbgeometrien: Die einfache kreisförmige Verrundung als Stand der Technik, die Zwei-Radien-Kerbe, die Baud-Kurve, die Methode der Zugdreiecke nach Claus Mattheck, die elliptische Kerbe sowie die konische Rundung als generalisierte elliptische Kerbe. Es wird kurz eine Bibliothek vorgestellt, mit der solche Kerben einfach ausgelegt werden können, d.h. Ihre exakte Geometrie festgelegt sowie die zugehörige Formzahl αk bestimmt werden kann. / Circular (one-radius) fillets are known as state-of-the-art for reducing notch stresses at cross section transitions. The stress concentration factor Kt of such geometries can be read out from diagrams/tables given in the literature. However, the efficiency of stress reduction of circular notches is very limited. The goal of the work therefor is to present a method for the designer/analyst how to design non-circular notches/fillets just by using suitable Kt-diagrams without time-consuming and expensive FEM analyses. Kt-numbers of nearly one are possible, that means in the "notch" just the nominal stress appears and no stress concentration takes place. The presentation has two parts: Part one describes the working methods and software functions as well as software tools: Creo Parametric as fully-parametric CAD program and Creo Simulate as embedded p-FEM-tool from Parametric Technology Corporation (PTC) have been used. The second part describes the range of validity and the examined notch geometries: The one-radius fillet as state-of-the-art, the two-radii filet, the Baud-curve, the method of tensile triangles from Claus Mattheck, the standard elliptical fillet and the conical round as generalized elliptical fillet. A notch layout library is shortly presented that allows to design such fillets, that means exactly determine the notch geometry and the related stress concentration factor Kt.