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

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit analytischen, numerischen und experimentellen Grundlagenuntersuchungen zum Füge- und zum Übertragungsverhalten einer reibformschlüssigen Stahl-Aluminium-Rändelpressverbindung. Die Besonderheit dieser Verbindung besteht darin, dass eine mit einer Rändelung und Übermaß versehene harte Stahlwelle in eine weiche Aluminiumnabe mit kreisrunder Bohrung längseingepresst wird. Die maßgebende Größe für den Fügevorgang ist der Fasenwinkel der Welle φ. Der Nabenwerkstoff wird hierbei in Abhängigkeit des Fasenwinkels der Welle φ umgeformt beziehungsweise herausgeschnitten. Mit Hilfe der relativen Festigkeit R F , welche das Verhältnis von maximaler Lösekraft F l, max zu maximaler Fügekraft F f, max repräsentiert, wurde ein Gütekennwert zur gezielten Auswahl von Stahl-Aluminium-Rändelpressverbindungen hinsichtlich der axialen Übertragungsfähigkeit abgeleitet. Die Charakterisierung der experimentell ermittelten Torsionsmoment - Verdrehwinkel - Kurven ergab zur Auslegung die Bereiche Auslegungs- und Versagenskriterium. Das maximal übertragbare Torsionsmoment wird beim sogenannten Versagenskriterium τ S durch das Abscheren der Rändel in der Nabe erreicht. In Analogie zum Füge- und zum Löseverhalten zeigt sich der positive Einfluss des Fasenwinkels φ auf das übertragbare Torsionsmoment. So können formend gefügte Stahl-Aluminium- Rändelpressverbindungen ein um bis zu ca. 40% größeres statisches Torsionsmoment als vergleichbare schneidend gefügte Rändelpressverbindungen übertragen. Das mechanisch-physikalische Berechnungsmodell zur Berechnung des statisch übertragbarenTorsionsmomentes basiert auf der Kerbzahnverbindung. Damit kann das Torsionsmoment am Auslegungskriterium T pF sowie das maximal übertragbare Torsionsmoment bei Abscherung Tτ S ermittelt werden. Die Berücksichtigung des formenden beziehungsweise schneidenden Fügevorgangs wird in Abhängigkeit des Fasenwinkels φ mit Hilfe des sogenannten winkelbasierten Umformgrades ε plRPV beschrieben. / The present thesis provides analytical, numerical and experimental fundamental studies for the joining behaviour and the transmission behaviour of a friction and form closure steel-aluminum knurled interference fit. The special feature of this connection is a knurled and oversize hard steel shaft, longitudinally pressed in a soft aluminum hub with a circular bore. The most important parameter for the joining process is the shaft chamfer angle φ. Due to the shaft chamfer angle φ the material of the hub will be formed or cutted during the joining process. By using the relative strength, the quotient of push out force and joining force who describes the joint strength, a first quality parameter for a precise selection of steel-aluminum knurled interference fit has been derived. The description of the experimentally determined torque - twisting angle – curves has shown areas of design criterion and mechanical breakdown. The maximum transmittable torque is achieved by reaching the shearing stress of the knurls in the hub - mechanical breakdown τ S. Similar to the joining and the push out behaviour, the positive influence of the shaft chamfer angle φ is also shown at the transmittable torque. Furthermore, knurled interference fits joined by forming can transmit higher torques of about 40% than interference fits joined by cutting due to the material hardening. The mechanical-physical model for calculating the static transmittable torque is based on the serration connection. Thus, the torque at the design criterion and the maximum transmittable torque at the mechanical breakdown can be found. The consideration of the forming or cutting joining process is described as a function of the shaft chamfer angle φ using the so-called angle-based plastic strain ε plRPV.

Der Vortrag beschreibt, wie mittels des Kontaktmodells mit endlicher Reibung in Creo Simulate 3.0 ein Schwungrad mit axial verschraubtem mit Kegel-Presssitz berechnet werden kann. Da in Creo Simulate 3.0 des Softwareentwicklers PTC das Kontaktmodell mit endlicher Reibung nur für die Theorie großer Verformungen implementiert ist, nicht jedoch für einfache Analysen mit kleinen Deformationen, muss der Anwender einige softwareseitige Einschränkungen geschickt umgehen. Es werden Vorgehensweisen vorgeschlagen, wie der Anwender dies bewerkstelligen kann. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Modellierung von Schrauben sowie der Einstellung der Schraubenvorspannung. Rechenergebnisse des Programms werden mit analytischen Lösungen verglichen. / The presentation describes how to analyze a flywheel with axially bolted hub-shaft- connection using a conical press fit with help of the finite friction contact model in Creo Simulate 3.0. Since Creo Simulate 3.0 from PTC offers a finite friction contact model implementation just for large displacement analysis, but not for simple analyses with small displacements, the user has to work around a couple of code specific limitations. Best practices are proposed how to do this. Special attention is paid on bolt modeling and preload adjustment. Analysis results are compared with analytical solutions.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit analytischen, numerischen und experimentellen Grundlagenuntersuchungen zum Füge- und zum Übertragungsverhalten einer reibformschlüssigen Stahl-Aluminium-Rändelpressverbindung. Die Besonderheit dieser Verbindung besteht darin, dass eine mit einer Rändelung und Übermaß versehene harte Stahlwelle in eine weiche Aluminiumnabe mit kreisrunder Bohrung längseingepresst wird. Die maßgebende Größe für den Fügevorgang ist der Fasenwinkel der Welle φ. Der Nabenwerkstoff wird hierbei in Abhängigkeit des Fasenwinkels der Welle φ umgeformt beziehungsweise herausgeschnitten. Mit Hilfe der relativen Festigkeit R F , welche das Verhältnis von maximaler Lösekraft F l, max zu maximaler Fügekraft F f, max repräsentiert, wurde ein Gütekennwert zur gezielten Auswahl von Stahl-Aluminium-Rändelpressverbindungen hinsichtlich der axialen Übertragungsfähigkeit abgeleitet. Die Charakterisierung der experimentell ermittelten Torsionsmoment - Verdrehwinkel - Kurven ergab zur Auslegung die Bereiche Auslegungs- und Versagenskriterium. Das maximal übertragbare Torsionsmoment wird beim sogenannten Versagenskriterium τ S durch das Abscheren der Rändel in der Nabe erreicht. In Analogie zum Füge- und zum Löseverhalten zeigt sich der positive Einfluss des Fasenwinkels φ auf das übertragbare Torsionsmoment. So können formend gefügte Stahl-Aluminium- Rändelpressverbindungen ein um bis zu ca. 40% größeres statisches Torsionsmoment als vergleichbare schneidend gefügte Rändelpressverbindungen übertragen. Das mechanisch-physikalische Berechnungsmodell zur Berechnung des statisch übertragbarenTorsionsmomentes basiert auf der Kerbzahnverbindung. Damit kann das Torsionsmoment am Auslegungskriterium T pF sowie das maximal übertragbare Torsionsmoment bei Abscherung Tτ S ermittelt werden. Die Berücksichtigung des formenden beziehungsweise schneidenden Fügevorgangs wird in Abhängigkeit des Fasenwinkels φ mit Hilfe des sogenannten winkelbasierten Umformgrades ε plRPV beschrieben. / The present thesis provides analytical, numerical and experimental fundamental studies for the joining behaviour and the transmission behaviour of a friction and form closure steel-aluminum knurled interference fit. The special feature of this connection is a knurled and oversize hard steel shaft, longitudinally pressed in a soft aluminum hub with a circular bore. The most important parameter for the joining process is the shaft chamfer angle φ. Due to the shaft chamfer angle φ the material of the hub will be formed or cutted during the joining process. By using the relative strength, the quotient of push out force and joining force who describes the joint strength, a first quality parameter for a precise selection of steel-aluminum knurled interference fit has been derived. The description of the experimentally determined torque - twisting angle – curves has shown areas of design criterion and mechanical breakdown. The maximum transmittable torque is achieved by reaching the shearing stress of the knurls in the hub - mechanical breakdown τ S. Similar to the joining and the push out behaviour, the positive influence of the shaft chamfer angle φ is also shown at the transmittable torque. Furthermore, knurled interference fits joined by forming can transmit higher torques of about 40% than interference fits joined by cutting due to the material hardening. The mechanical-physical model for calculating the static transmittable torque is based on the serration connection. Thus, the torque at the design criterion and the maximum transmittable torque at the mechanical breakdown can be found. The consideration of the forming or cutting joining process is described as a function of the shaft chamfer angle φ using the so-called angle-based plastic strain ε plRPV.