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.

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.

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.