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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messchraube zur Ermittlung von Schraubenbelastungen sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Messschraube umfasst mindestens zwei Dehnungsmesssensoren, die so im Schraubenschaft angeordnet und dehnungskinematisch mit dem Schraubenschaft gekoppelt sind, dass sie Dehnungswerte im Schraubenschaft erfassen, aus denenüber konstitutive Materialgesetze Belastungen in mehr als einer Achse im oberen freien Schaftbereich bestimmt werden können. Durch Möglichkeit der Bestimmung mehrachsiger Belastungen lassen sich Schrauben sachgerechter auslegen, so dass die Gefahr von Schraubenbrüchen reduziert wird.
Messschraube zur Ermittlung von Schraubenbelastungen, die einen Schraubenkopf (8) und einen Schraubenschaft (9) mit einem oberen Schaftbereich (7) aufweist, der bei bestimmungsgemäßer Benutzung der Schraube nicht an einem Objekt anliegt, wobei mindestens zwei Dehnungsmesssensoren so im Schraubenschaft (9) angeordnet und dehnungskinematisch mit dem Schraubenschaft (9) gekoppelt sind, dass sie Dehnungswerte im Schraubenschaft (9) erfassen, aus denen über konstitutive Materialgesetze Belastungen in mehr als einer Achse im oberen Schaftbereich (7) bestimmt werden können, wobei die Dehnungsmesssensoren als faseroptische Sensoren an mehreren Stellen entlang mindestens einer optischen Faser (1) ausgebildet sind.
Die Lehre auf dem Gebiet der rechnerunterstützten Methoden in der Produktentwicklung verkörpert einen zentralen Schwerpunkt der Ingenieursausbildung. Dies bedingt eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Inhalte und der didaktischen Unterrichtsmethoden. In diesem Artikel wird die Entwicklung eines didaktischen Konzepts für die Konstruktionsausbildung zur Verbesserung der Präsentationskompetenz und Teamfähigkeit der Studierenden beschrieben und über erste Erfahrungen aus der Umsetzung in die Lehrveranstaltung „CAD/CAE“ berichtet. Die Studierenden erarbeiten in nach der Rundlitzenseilmethode strukturierten Gruppen numerische Lösungen zu Variantenrechnungen einer FEM-Aufgabe, nämlich „Berechnung der Formzahlen an Profilwellen mit Entlastungskerben“. Sie stellen ihre Ergebnisse in Form von 100-Sekunden-Vorträgen dar. Die Bewertung dieser Leistungen erfolgt nach dem Ampelschema. Eine detaillierte statistisch-psychologische Evaluation dieses didaktischen Konzepts ist Ziel weiterführender Untersuchungen.
In diesem Artikel wird die Entwicklung eines didaktischen Konzepts zur Verbesserung der Präsentationskompetenz und Teamfähigkeit beschrieben. Dabei wird über erste Erfahrungen aus der Umsetzung beispielhaft auf dem Gebiet CAD/CAE berichtet. Das Konzept lässt sich auf beliebige Ausbildungsformen übertragen und kann sowohl in Schulen, Berufsakademien als auch an Hochschulen eingesetzt werden. Die Lernenden erarbeiten in nach der Rundlitzenseilmethode strukturierten Gruppen technische Lösungen zum Entwickeln, Konstruieren und Berechnen einer technischen Aufgabe. Lösungsvorschläge werden in Form von 100-Sekunden-Vorträgen dargestellt. Die Bewertung der Leistungen erfolgt nach ausgewählten Kriterien. Eine Evaluation dieses didaktikschen Konzepts ist Ziel weiterführender Untersuchungen.
Der hier vorliegende Beitrag beschreibt erste Untersuchungsergebnisse mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Kerbspannungsanalyse an Durchdringungskerben bei Getriebewellen. Es handelt sich dabei um eine Umlaufnut sowie einen Wellenabsatz mit jeweils überlagerter Querbohrung. In beiden Fällen wird die Bohrung im Bereich der maximalen Spannungskonzentration der Umlaufnut bzw. des Wellenabsatzes angebracht. Entsprechende Formzahldiagramme werden angegeben und neue Näherungsgleichungen für eine genauere Formzahlberechnung je nach Belastungsart Torsion, Biegung und Zug/Druck aufgestellt. Die neu gewonnenen FEM-Ergebnisse erweitern die qualitativen und quantitativen Erkenntnisse über die in der Literatur vorhandenen Berechnungsverfahren und werden als Grundlage für weitere Untersuchungen zu dem bislang wenig erforschten Thema „räumliche Durchdringungskerbwirkung“ und deren Entlastung verwendet.
Der hier vorliegende Beitrag beschreibt erste Untersuchungsergebnisse mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Entlastung der Kerbspannungen an Getriebewellen mit Durchdringungskerben. Es handelt sich bei den Kerben um eine Umlaufnut mit überlagerter Querbohrung und um einen Wellenabsatz mit überlagerter Querbohrung. Die neu entwickelte Entlastungskerbe erweitert die üblichen Möglichkeiten zur Entlastung von Durchdringungskerben und ermöglicht bedeutende Spannungsreduktionen bis etwa 48% bei Biegung oder Zug/Druck. Die Entlastung bei Torsionsbelastung beträgt maximal etwa 18%. Es wurden Spannungsdiagramme der variierten Entlastungsnutparameter erstellt und Formeln zur näherungsweisen Berechnung der zu erwartenden Spannungen in der Durchdringungskerbe und in der Entlastungsnut ermittelt, zudem werden Empfehlungen zur Gestaltung der Entlastungskerbe gegeben. Dieser Beitrag bietet eine Grundlage zur weiteren Untersuchung zum Thema „räumliche Durchdringungskerben“ und deren Entlastung.
Eye-Tracking-Analyse des Betrachtungsverhaltens bei Micro-Präsentationen in der CAE-Ausbildung
(2015)
Die Zielsetzung des vorliegenden Beitrags ergibt sich aus der persönlichen Motivation der Autoren, das visuelle Verhalten und das Handeln vom jungen Ingenieur beim Micro-Präsentieren technischer Inhalte und Lösungsergebnisse in bildlicher und begrifflicher Form besser zu verstehen und somit effizienter unterstützen zu können. Dabei wurden mehrere Einzelpersonen aus dem Studiengang des Maschinenbaus der Hochschule Offenburg mit Hilfe der Eye-Tracking-Technick beobachtet. Die Probanden befinden sich im 6. Semester, sind im Alter von 21 bis 24 Jahren und zeichnen sich durch einen einheitlichen Ausbildungsstand aus. Die Versuchszeit für die Präsentation der Aufgabe betrug 100 Sekunden. Die Analyse der gewonnenen Daten dieser empirischen Laboruntersuchung erlaubt erste Einblicke in die visuelle Wahrnehmung technischer Objekte beim Vortragen.
Um Rückschlüsse auf das Vorgehen von Studierenden beim Lesen technischer Darstellungen ziehen zu können, wurden 49 Probanden aus dem Studiengang „Maschinenbau“ der Hochschule Offenburg bei ihrer Lösungssuche für eine zeichnerische Aufgabe mit Hilfe der Eyetracking-Technik beobachtet. Die Analyse der empirischen Untersuchungen legt die Vermutung nahe, dass die zunehmende Digitalisierung der Gesellschaft verstärkt zu einem punktuellen und flüchtigen Wahrnehmungsverhalten führen. Ruhe und Gelassenheit im Umgang mit Informationen gehen verloren, ebenso das Denken im Kontext. Nach Ansicht der Autoren sollte in der Ausbildung deshalb eine stärkere Konzentration auf die Grundbausteine und die grundlegenden Zusammenhänge des jeweiligen Fachgebietes, Entschleunigung, Förderung von Versteh-, Abstraktions- und Denkfähigkeit und auf der Motivation zur studentischen Eigenleistung liegen.
Empirische Untersuchungen zum visuellen Wahrnehmen beim Lesen und Verstehen technischer Zeichnungen
(2016)
Es wurden 49 Einzelpersonen aus dem Studiengang „Maschinenbau“ der Hochschule Offenburg bei der Lösungssuche für eine zeichnerische Aufgabe mit Hilfe der Eyetracking-Technik beobachtet. Aus den Experimenten ergeben sich Aufschlüsse über das tatsächliche Vorgehen von Studierenden beim Lesen technischer Zeichnungen. Die Analyse der empirischen Untersuchungen legt die Vermutung nahe, dass die zunehmende Digitalisierung der Gesellschaft und der zunehmende Umgang mit elektronischen Kleinstgeräten verstärkt zu einem punktuellen und schnellen Wahrnehmungsverhalten führen. Ruhe und Gelassenheit im Umgang mit Informationen gehen verloren, ebenso das Denken im Kontext. Somit muss es Aufgabe der Lehre sein, wieder verstärkt ein ruhiges, strukturiertes und auf Zusammenhänge ausgerichtetes Vorgehen zu vermitteln und zu üben.
In den hier vorliegenden Fallstudien wurden mehrere Studierende des Studiengangs Maschinenbau an der Hochschule Offenburg im Alter von 18 bis 28 Jahren bei der Lösungsfindung für Konstruktionsaufgaben mit der Eye-Tracking-Technologie und einer Videokamera beobachtet. Ziel der empirischen Untersuchung war es, die praktische Fähigkeit von Studierenden beim Lesen, Verstehen und Analysieren von technischen Darstellungen zu fördern. Die Auswertung der Augenbewegungen zeigt, dass die zunehmende Digitalisierung der Gesellschaft und der Umgang mit elektronischen Kleinstgeräten im Alltag zu einem punktuellen und flüchtigen Wahrnehmungsverhalten führen und dass sich die Studierenden im Umgang mit technischen Zeichnungen unsicher fühlen. Die Analyse der Videos zeigt eine meist nicht-technische und ungenaue Ausdrucksweise und eine schlechte Verwendung von Fachbegriffen.
Für die Zahnwellenprofile nach DIN 5480 ist es schwierig, das polare Trägheitsmoment des geschwächten Querschnitts aus der Geometrie festzulegen. Dieses ist jedoch zur Berechnung der Nennspannung oder der Verdrehsteifigkeit erforderlich. Unterschiedliche Nennspannungsdefinitionen stehen dem Konstrukteur zur Verfügung. Diese können z.B. bei der Formzahldarstellung zu Missverständnissen führen. In der Praxis hilft man sich in der Weise, dass man dem durch die Formelemente (Keile, Zähne) geschwächten Querschnitt einen Kreis einbeschreibt und die Spannung einer Ersatzwelle mit dem Durchmesser dh1 dieses einbeschriebenen Kreises ermittelt. Die in der DIN 5466 vorhandene Näherungsgleichung zur Berechnung des Ersatzdurchmessers dh1 verzahnter Wellen geht auf Arbeiten von Nakazawa im Jahr 1951 [Nakazawa, Hajime: On the Torsion of the Spline Shafts. The Japan Society of Mechanical Engineers, 1951, S. 651-658 + S. 643-650, Tokyo Torizo Univers. 1951] und später auf [Schöpf, H.-J.: Festigkeitsuntersuchung an Zahnwellen-Verbindungen mit Spannungsoptik und Dauerschwingversuchen. Dissertation der TU München 1976] zurück. Mit diesem imaginären Durchmesser dh1 kann man das polare Flächenträgheitsmoment und Widerstandsmoment ermitteln. Die Ergebnisgenauigkeit dieser Näherungslösung ist für eine treffsichere Festigkeitsberechnung aus heutiger Sicht unbefriedigend. Ziel dieses Aufsatzes ist es, dem Anwender Möglichkeiten und Ergebnisse zur Verfügung zu stellen, die es ihm gestatten, das effektiv wirkende Widerstandsmoment für verzahnte Wellenprofile genauer zu bestimmen. Dabei wird der dafür notwendige Ersatzdurchmesser mit Hilfe von theoretischen Überlegungen und Programmtools (CAD, Matlab und Excel) für den gesamten nach DIN 5480 festgelegten Geometriebereich unter die Lupe genommen.
Die scharfkantig eingestochenen Sicherungsringnuten (SR-Nut) in Profilwellen (Zahn- und Keilwellen) bewirken höhere Kerbwirkung. Diese ergibt sich infolge der Überlagerung zwischen SR-Nutradius und Zahnfussradius speziell bei Torsionsbeanspruchung unter Beachtung der Einflüsse der Zähnezahl z, des Bezugsdurchmessers dB und des Moduls m. Eine Möglichkeit zur Minderung dieser Kerbwirkung besteht in der absichtlichen Anbringung von umlaufenden Zusatzkerben, symmetrisch vor und hinter der nach DIN 471 genormte Hauptkerbe. Die vorliegende Arbeit soll einen weiteren Beitrag zu dem noch wenig erforschten Thema "Entlastungsnuten an Profilwellen" bringen. Der Beitrag beschreibt die numerischen Ergebnisse einer ersten Untersuchung, die bei der Entlastung von SR-Nuten auf Zahnwellen bei Zug/Druck, Biegung und Torsion entstehen. Die Ermittlung der entlastenden Wirkung erfolgt mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM). Die Untersuchung der Kerbformzahlen und ihrer Verringerung in Abhängigkeit von den geometrischen Parametern der Zahnwelle der SR-Nut und der Entlastungkerbe sowie die daraus optimierten Ergebnisse stellen dabei das zentrale Thema dar. Die Ergebnisse werden als Diagramme und Gestaltungshinweise angegeben. Die Untersuchungen zeigen, dass sich mithilfe von Entlastungskerben mit den optimalen Geometrieverhältnissen Spannungsformzahlreduktionen bis zu ca 35% bei Zug/Druck oder Biegung bzw. ca 30% bei Torsion ermöglichen lassen. Die erzielte Entlastungswirkung ist vom Kerbtiefenverhältnis, von der Form und Lage der Entlastungsnut, vom Bundlängenverhaltnis, vom Kerbabstand zwischen Nutradius und Zahnfussradius sowie von der Belastungsart abhängig.
Die bisherigen Forschungen [1] im Bereich der Entlastungen von den örtlichen Spannungskonzentrationen in den Sicherungsringnuten beschränken sich auf glatte Vollwellen. Über die Abschwächung der Kerbwirkung von Sicherungsringnuten bei Zahn- und Keilwellen lagen bisher keine systematischen Untersuchungen und keine ausreichend gesicherten Ergebnisse vor. Deshalb wurden Untersuchungen zur Ermittlung der entlastenden Wirkung der Spannungsformzahlen von SR-Nuten bei Zahnwellen durchgeführt. Diese erfolgen mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) für die Belastungsarten Zug/Druck, Biegung und Torsion. Eine Formzahlreduktion von ca. 35% in der SR-Nut konnte bei Biegung und Zug/Druck realisiert werden. Bei Torsion beträgt diese ca. 30 % nach der NSH bzw. 12% nach der GEH gegenüber der originalen Kerbgeometrie ohne Entlastungsnuten. Die gewonnenen Ergebnisse erweitern die qualitativen und quantitativen Erkenntnisse über die Entlastung von der mehrfachen Kerbwirkung.
Die gefährliche Wirkung von Kerben auf Konstruktionsteile bei Dauerbeanspruchungen ist dem Konstrukteur bekannt. Trotzdem sind viele in der Praxis beobachteten Schadensbilder an Passverzahnungen fast durchweg auf nicht genügend berücksichtigte Kerbwirkung infolge der konstruktiv bedingten Mehrfachkerben zurückzuführen. Die hohen Anforderungen vor allem an Drehmoment übertragende und hochbeanspruchte Konstruktionsteile zwingen uns, der Frage der Kerbwirkungen sowie Maßnahmen zu deren Milderung erhöhte Aufmerksamkeit zu widmen. Der vorliegende Beitrag beschreibt erste Untersuchungsergebnisse mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Ermittlung der Kerbwirkung an den Übergangsstellen für die nach DIN 5480 genormten Passverzahnungen mit freiem Auslauf bei Torsion und Biegung. Die rechnerisch abgeschätzten Form- und Kerbwirkungszahlen an Passverzahnungen werden mit experimentellen Kerbwirkungszahlen aus den Ermüdungsversuchen verglichen. Das Ziel ist es, den Stand der Technik hinsichtlich der Berechnung der Tragfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit bei Passverzahnungen weiterzuentwickeln und die neu gewonnenen Form- und Kerbwirkungszahlen in die Berechnungsvorschriften DIN 743 und DIN 5466 einzubinden.