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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:

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@…)

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@…)

The task can be modified depending on the individual experience and goals!

In modern electric automobiles electric refrigerant compressors are used both for cooling the traction battery and for interior climate control. Scroll compressors are frequently used for this purpose.

As part of a benchmarking project of the professorship, 3D scan data of scroll profiles are being collected to draw conclusions about stroke and dead volume. For precise volume measurement, it is necessary to convert the acquired scan data into CAD-capable surface models. However, the reconstruction of such models from point clouds or meshes presents a significant technical challenge: the complex geometries of the scroll profiles substantially complicate the surface reconstruction, meaning that classic reverse engineering approaches are often time-consuming and lead to inaccurate results.

Current reverse engineering advances utilize deep learning models to allow the deduction of CAD commands from point clouds. One of these is open-source, the installation and implementation of this model is essential. This approach however, is limited to simple line, arc and circle sketch commands and extrude operations. The core of the scroll compressor is a pair of interlocking spirals, which cannot be constructed by these simple commands. They can however be easily constructed with so called "splines". Current datasets, on which the models are trained, do not contain these splines, thus no model can construct splines. The usage of splines in public CAD repositories is minimal. Therefore a synthetic dataset has to be created, filled with automatically generated examples of spline geometries. The dataset should contain geometries of varying complexity as well as simple commands like line, arc and circle to represent real-life complexity. Using this synthetic dataset, the already existing capabilities of the employed model can be further extended to include spline geometries within sketches.

To summarize: For the accurate reconstruction of scroll compressors, we want to establish and fine-tune a deep learning model capable of reverse engineering with a synthetic dataset filled with splines.

Requirements:

Basic Python experience

Basic CAD experience

Literature:

GenCAD3D: https://arxiv.org/abs/2509.15246

Art: HiWi, SA, PA, BA, MA, DA

Kategorie: Programmierung, Recherche

Ansprechperson: Leon Josef Stahr, M.Sc. ( leon-josef.stahr@…)

The task can be modified depending on the individual experience and goals!

Neural Fields are a little known type of neural network, that act akin to functions. This makes them interesting for the application in topology optimization, since they do not depend on resolution. Their application could prove to be a pivotal advancement of AI based Topology Optimization, which is inherently limited by the computational effort for either the synthesis of training data or the evaluation of generated structures with FE Analysis.

Literature:

https://arxiv.org/abs/2402.05073

Art: HiWi, SA, PA, BA, MA, DA

Kategorie: Programmierung, Recherche

Ansprechperson: Leon Josef Stahr, M.Sc. ( leon-josef.stahr@…)

Die Anwendung von Deep-Learning (DL) Methoden zur Unterstützung des Konstruktionsprozess‘, beispielsweise bei der Erstellung von CAD-Modellen, verspricht eine Qualitäts- und Effizienzsteigerung, ähnlich zur Produktivitätssteigerung von Programmieren.

Für das Training eines DL Modells werden Unmengen an Daten benötigt. Existierende, adäquat dimensionierte Datensätze enthalten primär Designs von Amateur-Konstrukteuren, da die Arbeit von Experten oft Betriebsgeheimnis ist. Solche Designs variieren in der Folge stark in ihrer Qualität und ignorieren Design-Richtlinien und Prinzipien. Für das Training von CAD generierenden DL Modellen ist es daher unbedingt notwendig, eine Bewertung der Designs vorzunehmen, um letztendlich sinnvolle und nachvollziehbare Designs generieren zu können.

Eine solche Bewertungsmethodik zu finden und zu prüfen ist Kernaufgabe dieser Ausschreibung. Der Umfang kann auf die jeweilige Art der Arbeit angepasst werden. Mit Ihrer Mitarbeit an diesem Thema wirken Sie aktiv an der Weiterentwicklung und dem Erfolg des Forschungsvorhabens SPP2444 mit.

Art: HiWi, SA, PA, BA, MA, DA

Kategorie: Programmierung, Recherche

Ansprechperson: Leon Josef Stahr, M.Sc. ( leon-josef.stahr@…)