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Die hohen Anforderungen vor allem an Drehmoment übertragende und mehrfachgekerbte Profilwellen im konstruktiven Umfeld moderner Maschinen zwingen uns, der Frage der Kerbwirkungen sowie Maßnahmen zu deren Milderung erhöhte Aufmerksamkeit zu widmen. Während die Kerbwirkung der geometrischen Einzelkerben bereits recht eingehend erforscht ist, liegen wesentlich komplexere Verhältnisse bei Mehrfachkerben vor, die durch die gegenseitige Beeinflussung mehrerer benachbarter Kerben entstehen. Der hier vorliegende Beitrag beschreibt erste Untersuchungsergebnisse mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) zur gegenseitigen Wechselwirkung zweier Kerbformen "Sicherungsringnut und Zahnfußrundung" bei Zahnwellen mit Evolventenflanken nach DIN 5480. Diese Kerbkombination tritt in der Praxis häufig auf. Entsprechende Formzahldiagramme und Gestaltungshinweise werden angegeben und Näherungsformeln für die genauere Formzahlbestimmung je nach Belastungsart aufgestellt.
Der vorliegene Beitrag beschreibt erste Untersuchungsergebnisse mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Ermittlung der Kennwerte des bezogenen Spannungsgefälles beim linear-elastischen Werkstoffverhalten für die nach DIN 5480 genormten Zahnwellen mit freiem Auslauf bei Torsion, Biegung und Zug/Druck. Für die Bestimmung von Zwischen-werten werden analytische Näherungsgleichungen aufgestellt.
Im Rahmen der Konstruktionsausbildung an der Hochschule Offenburg wird die Lehre im Fach Technische Dokumentation fortlaufend optimiert. In der vorliegenden Laborstudie wurde das visuelle Wahrnehmen von 34 Maschinenbaustudierenden (2w + 32m) im Alter von 19 bis 29 Jahren mithilfe der Eye-Tracking-Technik und einer Videokamera bei der Analyse einer Baugruppenzeichnung beobachtet.
Der vorliegende Beitrag beschreibt erste Untersuchungsergebnisse an Wellenabsätzen mit im Kerbgrund überlagerter Schrägbohrung, mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM). Als Beispiel hierfür können Walzen mit Heizkanälen in Walzwerken, Turbinen- und Kurbelwellen genannt werden. Es ist nicht bekannt, welche Spannungserhöhung die Schrägbohrung im Wellenabsatz hervorruft. In den Normen oder Richtlinien sind keine Angaben über Formzahlen für diese Kerbkombination vorhanden. Deshalb werden die Formzahlen für unterschiedliche schräggebohrte Wellenabsätze je Belastungsart ermittelt, ausgewertet und entsprechende Formzahldiagramme und Gestaltungshinweise angegeben.
In diesem Beitrag wird die Anwendbarkeit von bereits in der Literatur beschriebenen und in der Praxis bewährten Entlastungsgeometrien für Wellenabsätze auf Zahnwellen mit freiem Auslauf mit der Methode der Finiten Elemente FEM untersucht. Dabei zeigte sich, dass eine direkte Verwendung der bestehenden Vorschläge nicht immer möglich war. Deshalb wurden diese Entlastungsnuten und -übergänge für eine beanspruchungsgerechte Anwendung im Bereich der Zahnwellen modifiziert und optimiert. Basierend auf den dabei erzielten Ergebnissen wurden neue konstruktive Möglichkeiten zur günstigsten Ausprägung der freien Auslaufgestaltung entwickelt und erforscht. Der beobachtete merkliche Abfall der Kerbspannung infolge von Entlastungsmöglichkeiten soll dem Konstrukteur einen Anlass geben, diese häufiger anzuwenden. Die Industrie, insbesondere kleinere Betriebe, können mithilfe der in diesem Aufsatz vorliegenden Erkenntnisse durch optimierte Dimensionierung der Profiwellen Kosten und Bauteilgewicht sparen.
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.
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.