Studentische Ausschreibungen

Komponenten besitzen stets endliche Steifigkeit. Werden diese in Kontakt gebracht wie z.B. bei Pressverbindungen oder Lagersitzen und mit einer externen Beanspruchung beaufschlagt, können so aufgrund unterschiedlich starker Materialverformungen der umliegenden Bauteilstrukturen Mikro-Relativbewegungen entstehen. Weiterhin wird durch den Kontakt ebenfalls eine Kontaktpressung induziert. Eine anhaltende oszillierende Mikroschlupfbewegung bewirkt so im Kontakt einen fortschreitenden Verschleiß. In Kombination dieser Parameter kommt es schlussendlich zu einer Reduzierung der Lebensdauer der Bauteile im Vergleich zur freien Oberfläche. Die Reduktion hervorgerufen durch dieses als Reibermüdung (Fretting Fatigue) bezeichnete Phänomen kann dabei bis zu 80 % betragen. Eine maßgebliche Abhängigkeit der Auswirkungen von verschiedenen Materialpaarungen konnte bereits eingeschätzt werden (Hauschild, 2019), womit ebenfalls die Berechnung von Bauteilen im Kontakt auf Basis der FKM-Richtlinie möglich ist.

Die Auswahl einer Materialalternative auf Basis dieser Berechnung ist jedoch nicht immer möglich und zielführend. Beispielsweise haben hochfeste Stähle zwar eine hohe Grundbeanspruchbarkeit zeigen aber im Kontakt eine größere Festigkeitsreduktion.  Ebenfalls ist eine Geometrieanpassung nicht in jedem Fall möglich. Eine weitere Einflussnahme ohne Veränderung dieser Parameter kann darüber hinaus auch durch die Beeinflussung der Eigenschaften der Oberflächen und oberflächennahen Werkstoffbereiche der Komponenten erfolgen. Für eine Verbesserung der Haltbarkeit oder Verschleißfestigkeit wird dafür bereits in vielen Anwendungsfällen das Aufhärten von Oberflächen oder Bauteilen eingesetzt. In Bezug auf das Phänomen Fretting Fatigue sind jedoch die Potentialveränderung und die genaue Wirkung auf die Rissbildung, -wachstum und die Lebensdauer jedoch nicht allgemeingültig untersucht.

Ziel dieser Arbeit ist es daher, verschiedene Härteverfahren hinsichtlich ihrer Wirkung und Potentials bei Reibermüdung zu vergleichen. Unter diesen wird das Einsatzhärten aufgrund seiner einfachen und kostengünstigen Anwendbarkeit häufig genutzt, weshalb in der Untersuchung ein besonderes Augenmerk auf diesem Verfahren liegen soll. Neben der qualitativen Bewertung der Verfahren auf Basis externer Daten ist in einem zweiten Schritt die Wirkung auf Basis der Integration verschiedener Eigenspannungszustände in ein Simulationsmodells eines Reibklötzchenprüfstandes einzuschätzen. Dazu soll die Aussage ausgewählte Vergleichsspannungshypothesen ausgeleitet und in Bezug auf den ungehärteten Zustand verglichen werden.

Der Aufbau der Arbeit sollte folgender Struktur folgen:

• Literaturanalyse zu bestehenden Studien zu Fretting Fatigue in Kombination mit gehärteten Kontaktoberflächen
• Vergleich ausgewählter Härteverfahren hinsichtlich ihres Potentials bei Fretting Fatigue
• Tiefergehende Analyse zu Einsatzhärtung in Kombination mit Fretting Fatigue (Zusammenhang Eigenschaften der Oberflächen à Potential, bereits bestehende Anwendungsbereiche und dortige Potentialausschöpfung, Wirkmechanismen)
• Simulative Abschätzung der Wirkung von Einsatzhärten durch Integration verschiedener Eigenspannungsfelder in ein Simulationmodell für Fretting Fatigue und Vergleich ausgewählter Vergleichsspannungshypothesen und Bezug zu einem ungehärteten Zustand)

Eine Anpassung der Aufgabenstellung ist in Absprache mit dem Betreuer jederzeit möglich.

Ansprechpartner: Marius Müller, marius.mueller@mb.tu-chemnitz.de

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Schlagwörter: Fretting Fatigue

Art: SA, PA, BA

Kategorie: Recherche, Simulation

Ansprechperson: Marius Müller, M.Sc. ( marius.mueller@…)

Motivation:
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Optimierung eines Lasersystems zur präzisen Messung von Verschiebungen in der Ebene auf einem Reibklötzchenprüfstand. Der Prüfstand wird zur Ermittlung der Reibermüdungsfestigkeiten von Materialien eingesetzt. Dabei können sowohl Zugbelastung F­_Z, Kontaktpressung p und die Schlupfamplitude s_a aus der Relativverschiebung zwischen Probe und Reibklötzchen einzeln eingestellt werden (siehe Abbildung).


Für die Schlupfregelung ist die Verschiebungsmessung der Probe und Reibklötze im µm-Bereich notwendig, wozu sich die Messung über Position Sensitive Devices als wirksam herausgestellt hat. Zur Machbarkeit wurden bereits Voruntersuchungen durchgeführt, wozu die Anordnung in obenstehendem Bild genutzt wurde.

Zielsetzung:
Die Aufgabe umfasst aufbauend aus den bisherigen Untersuchungen Tests und die Analyse des bisherigen Systems, die Integration und den Vergleich verschiedener Signalverarbeitungsmethoden sowie die Systemkonstruktion zu einem mobilen handhabbaren Lasermesssystem. Folgende Detailaspekte sollten dabei enthalten sein, zu welchen eine entsprechende Recherche zum aktuellen Stand und den inhaltlichen Hintergründen notwendig ist:

1. Tests, Analyse und Bewertung des bestehenden Entwurfs des Lasermesssystems hinsichtlich dessen Robustheit und Messgenauigkeit
2. Umsetzung und Vergleich verschiedener Möglichkeiten zur Verbesserung der gefundenen Schwachstellen (sowohl physisch als auch steuerungstechnisch)
3. Durchführung von verschiedenen Tests zur Bewertung der verbesserten Messgüte und Grenzen des Systems
4. Überführung des Grundsystems mit den Verbesserungen in eine Konstruktion zu einem mobilen, leicht handhabbaren Lasermesssystem

Anforderungen an die schriftliche Arbeit
Die schriftliche Ausarbeitung muss so gestaltet sein, dass sie als effiziente Grundlage für weitere Arbeiten genutzt werden kann. Lösungsansätze, Modelle und Ergebnisse müssen nachvollziehbar beschrieben, diskutiert und auf Plausibilität geprüft werden.
Inhaltliche und umfängliche Änderungen der Aufgabenstellung können mit dem betreuenden Hochschullehrer und dem wiss. Mitarbeiter erfolgen.

 

Marius Müller, M. Sc.
E-Mail: marius.mueller@...
Telefon: +49 371 531 38946

Schlagwörter: Konstruktion, Laser, Steuerung

Art: SA, PA, BA

Kategorie: Experimente/Versuche, Konstruktion

Ansprechperson: Marius Müller, M.Sc. ( marius.mueller@…)

In Forschungsvorhaben wurden Trends der menschlichen Entwicklung (https://www.nationale-stadtentwicklungspolitik.de/NSPWeb/DE/Themen/Forschung/Stadt-von-uebermorgen/Trendmolekuele/trendmolekuele_node.html) zusammengefasst. Diese wollen wir mit den Sustainable Development Goals SDGs der UN (https://sdgs.un.org/goals) vergleichen. Wie sind die Nachhaltigkeitsziele in den Entwicklungstrends aufgenommen worden?

 

Dr.-Ing. Jan Reißmann
E-Mail:	jan.reissmann@mb...
Telefon:	+49 371 531 37467
Raum:	C21.311 (alt: 2/A311)

Art: SA, PA, BA, MA, DA

Kategorie: Konstruktion, Recherche, Studentische-Ausschreibung

Ansprechperson: Dr.-Ing. Jan Reißmann ( jan.reissmann@…)

Passfederverbindungen (PFV) sind eine weit verbreitete formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung (WNV). Diese zeichnen sich durch eine einfache Fertigung und De-/Montierbarkeit aus. Die Bestimmung des übertragbaren Drehmoments erfolgt mittels DIN 6892 [1], welche auf dem Grenzlastkriterium einer kritischen Flächenpressung zwischen Wellennut und Passfeder bzw. zwischen Nabennut und Passfeder beruht. Die Gestaltfestigkeit der Welle wird mittels DIN 743 [2] oder einschlägigen Richtlinien wie [3], [4] abgeschätzt. Die Nennspannungsnachweise nehmen für die genutete Welle einen zylindrischen Querschnitt an und schätzen die in der Nut vorliegende Spannungsüberhöhung mit einer experimentell ermittelten Kerbwirkungszahl ab. Experimente wie in [5] zeigen, dass diese Kerbwirkung für torsionsbeanspruchte Verbindungen deutlich unterschätzt wird. Eine Ursache dafür kann der Fehler durch die Anwendung des zylindrischen Querschnitts für das Widerstandsmoment gegen Torsion der genuteten Welle sein. In einer früheren Forschungsarbeit [6] wurde die Spannungsüberhöhung im Nutgrund der Welle mit Hilfe einer Formzahl abgeschätzt. Dieser Ansatz hat sich jedoch nicht durchgesetzt.

Ziel der Arbeit ist es, einen Ansatz zur Beschreibung, der in der Wellennut anliegenden Spannung abzuleiten, dabei soll neben einem physikalisch-technischem Ansatz ein empirischer Ansatz entstehen.

Die Arbeit unterteilt sich in folgende Teilaufgaben:

Schriftliche Darstellung der Ergebnisse

Literaturrecherche zum aktuellen Forschungsstand im Bereich von Passfederverbindungen und Festigkeitshypothesen

Numerische Untersuchungen zur Spannungsverteilung und Identifikation des Ortes mit der größten Spannung an genuteten Wellen

Experimentelle Validierung der Spannungsverteilung durch Versuche

Ableitung einer Gleichung zur Beschreibung der in der Wellennut auftretenden Spannungen

Exposé Thesis: Stress evaluation in notched shafts

Feather key connections (FKC) are a widely used form-fit shaft-hub connection (SHC). They are characterised by simple production and disassembly/assembly. The transmittable torque is determined using DIN 6892 [1], which is based on the limit load criterion of a critical surface pressure between the shaft keyway and feather key or between the hub keyway and feather key. The fatigue strength of the shaft is estimated using DIN 743 [2] or relevant guidelines such as [3], [4]. The nominal stress verifications assume a cylindrical cross-section for the notched shaft and estimate the stress concentration in the keyway with an experimentally determined notch coefficient β. Experiments such as in [5] show that this notch effect is significantly underestimated for torsionally stressed connections. One reason for this may be the error due to the application of the cylindrical cross-section for the resistance moment against torsion of the notched shaft. In an earlier research paper [6], the stress rise in the groove base of the shaft was estimated using a shape factor . However, this approach has not been established in industry.

The aim of the work is to derive an approach for describing the stress applied in the shaft groove, whereby an empirical approach is to be developed in addition to a physical-technical approach.

The work is divided into the following subtasks:

• Literature research on the current state of research in the field of feather key connections and fatigue strength hypotheses
• Numerical investigations into the stress distribution and identification of the location with the critical stress on notched shafts
• Experimental validation of the stress distribution through tests
• Derivation of an equation to describe the stresses occurring in the shaft notch
• Written presentation of the results

Literatur:

[1]         „DIN 6892, Mitnehmerverbindungen ohne Anzug - Passfedern - Berechnung und Gestaltung“. Beuth Verlag, 2012.

[2]        „DIN 743, Tragfähigkeitsberechnung von Achsen und Wellen“. Beuth Verlag GmbH, 2012.

[3]        R. Rennert, E. Kullig, M. Vormwald, A. Esderts, und D. Siegele, Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile. Frankfurt (Main): VDMA Verlag GmbH, 2012.

[4]        C. Ulrich und L. Suchy, Richtlinie Dauerfestigkeitsberechnung von Wellen, Frankfurt (Main)., 2024.

[5]        F. Kresinsky, „Übertragungsverhalten torsionsbeanspruchter Passfederverbindungen“, Technische Universität Chemnitz, Chemnitz, 2024.

[6]        R. Baier und R. Schug, „Berechnung von Torsionsspannungen in einer Welle mit Paßfedernut“. Springer-Verlag, 1990.

Art: MA, DA, MA

Kategorie: Experimente/Versuche, Recherche, Simulation

Ansprechperson: Benjamin Muhammedi, M.Sc. ( benjamin.muhammedi@…)

Hintergrund:

Gleitlager kommen als standardisierte Bauteile in zahlreichen Maschinensystemen zum Einsatz. Durch gezielte Dimensionierung lassen sich aber auch spezifische Funktionsanforderungen erfüllen und auf individuelle Anwendungen anpassen. Bei Spezialanwendungen geht dies jedoch mit höherem Fertigungs- und Kostenaufwand einher. Der daraus resultierende Verschleiß wird dadurch wirtschaftlich relevanter, da Ausfälle oder frühzeitiger Austausch erhebliche Folgekosten verursachen können.

Mit dem Einsatz von Condition Monitoring und Predictive Maintenance können Wartungsmaßnahmen gezielt und zeitoptimiert gesteuert werden. Gerade in kostenintensiven Anwendungen kann eine vorausschauende Instandhaltung wirtschaftlich vorteilhaft sein. Ziel dieser Arbeit ist es, abzuschätzen, wann sich der Einsatz solcher Überwachungssysteme und die Wiederaufarbeitung (z. B. Ausbessern von Laufschichten) aus finanzieller Sicht lohnt. Es soll ein einfaches Bewertungsmodell entwickelt werden, das anhand typischer Parameter die Entscheidungsfindung unterstützt.

Aufgabenstellung:

• Recherche zu Gleitlagerbeschichtungen und Verfahren zur Wiederaufarbeitung von Gleitbahnen
• Kostenabschätzung für Fertigungs- und Beschichtungsverfahren von Gleitlagern
• Vergleich und Bewertung des Fertigungsaufwands in Standard- vs. Spezialanwendungen
• Analyse und Beschreibung gängiger Methoden zur Nacharbeitung bzw. Wiederaufarbeitung von Gleitlagern
• Entwicklung eines einfachen Berechnungs- und Bewertungsmodells zur Wirtschaftlichkeitsanalyse
• Qualitative Beschreibung der zu erwartenden Ergebnisse und deren Aussagekraft
• Identifikation möglicher Fehlerquellen und Bewertung von Optimierungspotenzialen
• Dokumentation und zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse

Eine Anpassung der Aufgabenstellung ist in Absprache mit dem Betreuer jederzeit möglich.

Ansprechpartner: Lars Friedrich, lars.friedrich@mb.tu-chemnitz.de

Kategorie: Recherche

Ansprechperson: Lars Friedrich, M.Sc. ( lars.friedrich@…)

Hintergrund:

Zur Optimierung der Lebensdauer von Gleitlagern wurden verschiedene Werkstoffe hinsichtlich ihrer tribologischen Eigenschaften verbessert. Aufgrund wirtschaftlicher Aspekte kommen häufig Beschichtungen zum Einsatz, die auf ein Trägermaterial aufgebracht werden. Die Qualität dieser Beschichtungen wird klassischerweise mit dem Chalmerstest bewertet, der eine Zugbelastung einbringt. In realen Gleitlageranwendungen wirken jedoch primär Schubspannungen auf die Beschichtung – eine realitätsnähere Prüfmethode ist daher erforderlich.

Ziel der Arbeit:

Ziel dieser Arbeit ist es, Konzepte und Methoden für eine schubspannungsgerechte Prüfung von Gleitlagerbeschichtungen zu erarbeiten. Dazu sollen bestehende Prüfverfahren analysiert, mittels Finite-Elemente-Simulation (FE) auf ihre Praxistauglichkeit bewertet und mit realen Beanspruchungszuständen verglichen werden. Auf Basis von Literatur- und Patentrecherchen sollen vielversprechende Prüfansätze identifiziert, weiterentwickelt und unter Einbeziehung neuer Entwicklungen (z. B. Druck-Scherversuch nach FVA 880 I) bewertet werden.

Aufgabenstellung:

• Recherche zu Gleitlagerbeschichtungen und Methoden der Bindefestigkeitsprüfung
• Ableitung möglicher funktionaler Anforderungen an Prüfverfahren für die Bindeschicht
• Literatur- und Patentrecherche zu relevanten Prüfmethoden (Normen, Veröffentlichungen)
• Vergleich und Bewertung bestehender Verfahren hinsichtlich ihrer Eignung zur schubspannungsbasierten Prüfung
• Durchführung von FE-Simulationen zur Analyse der Spannungsverteilungen in unterschiedlichen Prüfkonzepten
• Entwicklung eines verbesserten Prüfkonzepts
• Qualitative Beschreibung der zu erwartenden Messergebnisse
• Identifikation möglicher Fehlerquellen und Bewertung des Optimierungspotenzials
• Dokumentation und Bewertung der Ergebnisse

Eine Anpassung der Aufgabenstellung ist in Absprache mit dem Betreuer jederzeit möglich.

Ansprechpartner: Lars Friedrich, lars.friedrich@mb.tu-chemnitz.de

Kategorie: Konstruktion, Recherche, Simulation

Ansprechperson: Lars Friedrich, M.Sc. ( lars.friedrich@…)