Decker Maschinenelemente

Frontmatter

1. Konstruktionstechnik

Zusammenfassung

Beim rationellen Konstruieren von Produkten haben Normen und andere allgemein anerkannte Richtlinien der Technik eine besondere Bedeutung. Sie sind das Ergebnis der Gemein-schaftsarbeit erfahrener Fachleute, die in den Gremien der deutschen Normungsorganisation, dem DIN Deutsches Institut für Normung e. V., und anderer Fachverbändeüberwiegend ehrenamtlich zusammenwirken. Die von diesen Institutionen herausgegebenen Veröffentlichungen können als Regeln der Technik von jedermann angewendet werden. Sie gelten als Empfehlungen, befreien den Anwender aber nicht von der eigenen Verantwortung.

Karl-Heinz Decker, Frank Rieg, Frank Weidermann, Gerhard Engelken, Reinhard Hackenschmidt, Bettina Alber-Laukant

2. Werkstoffe

Zusammenfassung

Dem Konstrukteur stehen zur Bauteilgestaltung heute mehr als 80 000 Werkstoffe zur Verfügung, von denen etwa 40 000 metallisch und 40 000 nichtmetallisch sind [2.2]. Die Festigkeit von Maschinenelementen ist von der Belastung (Einsatz), der Bauteilform (Design), der Herstellung (Verarbeitung) und dem gewählten Material abhängig. Die Vorhersage der Haltbarkeit beruft sich normalerweise auf Berechnungsmethoden und Kennwerte – diese sind aber stark von den vier genannten Faktoren abhängig.

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3. Festigkeitsberechnungen

Zusammenfassung

Es sollen hier für die Einführung in die Festigkeitslehre – soweit sie für die Behandlung der Maschinenelemente wichtig ist – einige Begriffe und Regeln der Technischen Mechanik wiederholt werden, was selbstverständlich nicht ein gründliches Studium der Technischen Mechanik und der einschlägigen Lehrbücher ersetzen kann.

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4. Schmelzschweißverbindungen

Zusammenfassung

Vorbemerkung: Schweißen ist neben dem Löten und Kleben das einzige Fertigungsverfahren, das in fast allen Büchernüber Maschinenelemente behandelt wird – eigentlich gehürt es ja auf den ersten Blick in Bücherüber Fertigungstechnik. Seine Behandlung hier resultiert aus der Tatsache, dass die Berechnung von Schweißn ähten essenziell für die ganze Konstruktion ist – bei Dreh- und Fräsprozessen gibt es nichts hinsichtlich der Festigkeit zu berechnen! – und dass Schweißkonstruktionen von Schmiede- und Gusskonstruktionen mitunter vollkommen abweichen. Die Schweißnaht ist sozusagen ein Maschinenelement! Schweißen und Schweißprozesse sind heute ein riesiges Wissensgebiet, daher können hier nur die wesentlichen Grundzüge hinsichtlich Verfahren und Berechnung behandelt werden. Wer sich eingehend mit der Theorie des Schweißens befassen will, sollte [4.1] und [4.2] konsultieren, wer sich eher für die praktische Anwendung interessiert, dem sei [4.7] empfohlen. Hinweise für den industriellen Einsatz gibt [4.8]. Eine große Auswahl an Büchern und Druckschriften zu allen möglichen Themen rund ums Schweißen bietet der DVS, der Deutsche Verband für Schweißen und verwandte Verfahren. Schmelzschweißen von Metallen ist das Vereinigen von artgleichen Werkstoffen unter Anwendung von Wärme in der Schweißzone im schmelzflüssigen Zustand mit oder ohne Schweißzusatz, aber grunds ätzlich ohne die Anwendung von Druck.

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5. Pressschweißverbindungen

Zusammenfassung

Unter Pressschweißen versteht man ein Schweißen mit Anwendung von Kraft ohne oder mit Schweißzusatz. Einörtlich begrenztes Erwörmen ggf. bis zum Schmelzen ermöglicht oder erleichtert das Schweißen.

Das Pressschweißen ist in der Technik weit verbreitet, da es im Vergleich zum Schmelzschweißen einen viel geringeren Zeitaufwand erfordert und deshalb besonders für Serienfertigungen geeignet ist. Es kommt aber im wesentlichen nur zum Verbinden von Teilen in Betracht, die wie Bleche flächig aufeinander liegen oder wie Bolzen stirnseitig befestigt werden müssen.

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6. Lötverbindungen

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Löten ist das Vereinigen von metallischen Werkstoffen (den Fügeteilwerkstoffen) durch schmelzende Zulegestoffe oder Zusätze (Lote), deren Schmelzpunkt unter dem der Fügeteilwerkstoffe (Bauteilwerkstoffe) liegt. Es ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen und Beschichten von Werkstoffen. Gelötet werden beispielsweise Stahlrahmen, Kraftfahrzeugkühler, Karosserien, Kleinbehä lter, Stahlleichtbauten, Maschinen- und Geräteteile.

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7. Klebverbindungen

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Unter Kleben versteht man das Verbinden von Körpern (Fügeteilen als Verbindungspartner) durch Oberflächenhaftung mittels Klebstoff.

Klebverbindungen bieten den Vorteil, dass sie wenig Raum und Gewicht erfordern, dass sich die Spannungen an der Verbindungsstelle gleichmäßiger als bei anderen Verbindungen verteilen, dass sie dichthalten, korrosionsbeständig sind und die Werkstoffeigenschaften der Verbindungspartner nicht verändern. Nachteile sind die geringe Festigkeit gegenüber anderen Verbindungsarten (Schweißen, Lten, Nieten) sowie die teilweise schwierige Demontage. Es werden beispielsweise Versteifungen auf Blechwände geklebt, Flugzeugtragflächenholme, Gebläseräder, Lüfterflügel, Brems- und Kupplungsbeläge auf ihre Träger u. dgl. (Bild 7.1).

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8. Nietverbindungen

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Nietverbindungen sind durch Schweißverbindungen in vielen Bereichen verdr ängt worden, weil das Bohren der Löcher und Schlagen der Niete im Allgemeinen einen höheren Arbeits-aufwand erfordert, Schweißteile eine einfachere Gestalt erhalten, leichter sind und nicht durch Löcher geschwächt werden. Vorteilhaft ist jedoch, dass beim Nieten keine ungünstigen Werkstoffbeeinflussungen wie Gefügeumwandlungen stattfinden und kein Verziehen durch Wärmewirkungen auftritt. Ferner lassen sich auch ungleichartige Werkstoffe miteinander verbinden. Deshalb greift man oftmals noch auf die als unbedingt sicher geltenden Nietverbindungen zurück, ganz besonders im Leichtmetallbau. Als Alternative kann oft das Kleben verwendet werden.

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9. Reibschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen

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Das Fügen von Teilen mit einem Pressvorgang schafft haltbare und rüttelsichere Verbindungen, die große und schlagartig einsetzende oder wechselnde Kräfteübertragen können. Da sie keine Verbindungselemente wie Passfedern oder L ängskeile enthalten, die als Kerben wirkende Nuten benötigen, haben sie eine hohe Gestaltfestigkeit (Betriebsfestigkeit). Sie werden im Getriebe-, Großmaschinen- und Kranbau angewendet, wo es mitunter keine andere Möglichkeit zum Ubertragen großer Kräfte bzw. Momente gibt. So werden umlaufende Maschinenteile wie Zahnrä der, Laufrä der, Turbinenläufer, Geblä seräder, Ankerscheiben u. dgl. auf Achsen oder Wellen gepresst. Auch im Gerätebau und in der Feinwerktechnik bieten sich viele Mö glichkeiten zur wirtschaftlichen Anwendung der Pressverbä nde. In DIN 7190 werden Berechnungsgrundlagen und Gestaltungsregeln angegeben.

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10. Befestigungsschrauben

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Schrauben sind die am meisten verwendeten Elemente zum Verbinden von Bauteilen. Gegenüber Schweiß-, Löt-, Kleb-, Niet- und Pressverbindungen lassen sich die Bauteile zerstörungsfrei lösen und abermals verbinden. So werden Maschinenteile, Maschinen- und Getriebegehäuse, Rohr- und Kupplungsflansche, Lagerkörper u. dgl. miteinander verschraubt. Außer zur Befestigung dienen Schrauben auch zum Einstellen, Messen und Spannen. Schrauben und Muttern und deren Gewinde sind weitgehend genormt.

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11. Bewegungsschrauben

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Bewegungsschrauben werden zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung eingesetzt und als Spindeln bezeichnet. Spindelmuttern führen die Längsbewegung aus oder stehen bei längsbewegter Spindel still.

Nachteilig ist die relativ hohe Reibung im Gewinde, die wegen der Wärmeentwicklung im Dauerbetrieb zu Schwierigkeiten führt. Deshalb wurden auch Muttern mit druckölgespeisten Taschen oder Olnuten in den Spindelflanken ausgeführt. Diese sind jedoch recht teuer.

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12. Formschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen

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Wellen tragen Maschinenteile wie Riemenscheiben, Schwung- und Laufräder, Zahn- und Kettenräder, Kupplungen, Hebel u. dgl. Deren Naben müssen drehfest und meistens auch unverschiebbar befestigt sein. Hierfür gibt es viele Möglichkeiten. Die Auswahl hängt von den zuübertragenden Kräften, von der erforderlichen Genauigkeit der Zentrierung, vom Werkstoff der Maschinenteile und auch von den jeweiligen Fertigungs- und Montagemöglichkeiten sowie von der Wirtschaftlichkeit ab.

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13. Stift- und Bolzenverbindungen

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Stifte dienen zum Verbinden, Befestigen, Mitnehmen, Halten, Zentrieren, Fixieren, Sichern, Verschließen u. dgl. von Maschinenteilen. Sie sind nur für das -Obertragen kleiner, stoßfreier und möglichst nicht wechselnder Drehmomente geeignet. Ihrer Form nach unterscheidet man grundsätzlich zwischen Zylinderstiften (Bild 13.1), Kegelstiften (Bild 13.2) und Kerbstiften (Bild 13.3). Im Bauteil oder in den Bauteilen sitzen sie mit Vorspannung. Kerbstifte besitzen drei eingepresste Längskerben, derenüberstehende Wulste sich beim Einschlagen mit hohem Druck gegen die Lochwand legen und das Loch elastisch aufweiten (Bild 13.4).

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14. Federn

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Federn dienen als elastische Verbindungselemente beispielsweise zur Rückführung von Ventiltellern oder Steuergestängen, zum Antrieb von Wickeltrommeln, als Stoßdämpfer, zur Kraftbegrenzung, zur Kraftmessung u. dgl. Ihrer Form nach kennt man Schrauben-, Teller-, Blatt-, Stabfedern usw., ihrer Verformung nach Druck-, Zug-, Biege- und Drehfedern.

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15. Achsen und Wellen

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Achsen (Bilder 15.1a und b) tragen ruhende oder umlaufende Maschinenteile, wie Riemenscheiben, Zahnräder, Laufräder, Trommeln u. dgl. Sie können stillstehen, sodass sich auf ihnen gelagerte Maschinenteile drehen, oder mit den auf ihnen sitzenden Maschinenteilen umlaufen. Achsen werden auf Biegung beansprucht, übertragen aber kein Drehmoment!

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16. Tribologie: Reibung, Schmierung und Verschleiß

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Reibung, Schmierung und Verschleiß sind die drei Teilgebiete der Tribologie. Das ist die Wissenschaft von aufeinander einwirkenden Berührungsflächen in Relativbewegung. Bei mangelhafter Schmierung kommt es infolge der Reibung zum Verschleiß dieser Flächen.

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17. Gleitlager

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Gleitlager nehmen die Laufzapfen von Achsen oder Wellen auf. Man unterscheidet Radiallager für Querkräfte (auch Traglager genannt) und Axiallager für Längskräfte (auch Stützlager genannt). Außerdem kennt man noch Führungslager, die die Welle lediglich in ihrer Lage führen und keine definierbaren Kräfte aufzunehmen haben. Die einzelnen Lagerarten lassen sich auch zu Baueinheiten kombinieren. Die Zapfen laufen mit Gleitreibung unter Öl-, Fettoder Feststoffschmierung in Lagerbuchsen oder -schalen um.

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18. Wälzlager

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Wälzlager nehmen wie Gleitlager die Zapfen von Achsen oder Wellen auf. Zwischen stählenen Ringen oder Scheiben rollen Wälzkörper. Wegen der Rollreibung ist die Reibzahl 25 … 50 % niedriger als bei hydrodynamisch geschmierten Gleitlagern, sodass sie sich weniger erwärmen und mit geringeren Energieverlusten arbeiten. Weiterhin werden sie mit einem kleineren Betriebsspiel ausgestattet, sodass sie genauer als Einflächen-Gleitlager laufen, was besonders im Elektro- und Werkzeugmaschinenbau wichtig ist. Sie beanspruchen wenig Raum, sind in Wartung und Schmiermittelbedarf anspruchslos und bedürfen keines Einlaufs. Ihre internationale Normung gewährleistet die Austauschbarkeit.

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19. Lager- und Wellendichtungen

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Dichtungen verhindern den Austritt von Schmiermitteln und das Eindringen von Fremdkörpern, Staub usw. in das Lager oder den Lagerraum. Hierzu können schleifende Dichtungen oder berührungsfreie Dichtungen dienen. Schleifende Dichtungen verursachen eine zusätzliche Reibung und damit Erwärmung und Energieverluste, berührungsfreie können jedoch nicht ohne Weiteres gegen Über- oder Unterdruck abdichten und sind nicht immer sicher gegen das Eindringen von Staub.

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20. Wellenkupplungen und -bremsen

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Wellenkupplungen dienen zur Verbindung zweier Wellen, z. B. der Wellen von Kraft- und Arbeitsmaschinen (der Antriebs- und Lastseiten) oder von Transmissionswellen oder zum Verbinden einer Welle mit einem auf ihr drehbeweglich sitzenden Maschinenteil, wie Zahnrad, Riemenscheibe oder Kettenrad, um dieses nach Belieben zu- oder abschalten zu können. Bremsen dienen zum Anhalten von sich bewegenden Massen, z. B. der Hublasten von Kranen. Sie sind prinzipiell Abwandlungen von Reibkupplungen.

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21. Grundlagen für Zahnräder und Getriebe

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Zahnräderübertragen die Drehbewegung von einer Welle auf eine zweite durch Formschluss der im Eingriff befindlichen Zähne. Bei verschieden großen Zahnrädern wirken sie auch als Drehmomentwandler. Durch den Formschluss können sie gegenü ber Riementrieben erheblich höhere Kräfteübertragen, arbeiten jedoch nicht elastisch, kommen dafür aber mit wesentlich kleineren Achsabständen aus.

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22. Abmessungen und Geometrie der Stirn- und Kegelräder

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Unter der Teilungp versteht man die Lä nge eines Kreisbogens (Teilkreisbogens) zwischen zwei aufeinander folgenden gleichnamigen Flanken (Rechtsoder Linksflanken) nach Bild 22.1. Wenn der Wä lzkreis als Teilkreis benutzt wird, spricht man von Null-Rä dern mit Null-Verzahnung, um auszudrü cken, dass keine Differenz zwischen Teilkreis und Wä lzkreis besteht.

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23. Gestaltung und Tragfähigkeit der Stirn- und Kegelräder

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Alle Zahnkräfte, die auf das Rad 1 wirken, sind mit dem Index 1 gekennzeichnet, alle Kräfte, die auf das Rad 2 wirken, mit dem Index 2. Die an den Rädern angreifenden Zahnkräfte belasten die Wellen und damit auch deren Lager. Siehe hierzu das Bild 15.5 und das Beispiel 15.1.

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24. Zahnradpaare mit sich kreuzenden Achsen

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Wenn Zahnräder so gepaart werden, dass sich ihre Achsen kreuzen, so entsteht ein Schraubradpaar, das in seiner Arbeitsweise mit einer Bewegungsschraube verglichen werden kann. Zu dem Wä lzgleiten der Zahnflanken kommt ein Längsgleiten hinzu, sodass Schraubradpaare mit größeren Reibverlusten arbeiten. Deshalb setzt man sie nur ein, wenn sie wesentliche Vorteile zur Lösung von Antriebsproblemen bieten. Sie erfordern eine sorgfältige Schmierung und sind zur Obertragung großer Leistungen nur bedingt geeignet.

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25. Kettentriebe

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Kettentriebe sind formschlüssige Hülltriebe, bei denen eine endlose Kette zwei oder mehr Kettenrä der umschlingt (umhüllt). Sie dienen wie Stirnradpaare zur Kraft- und Bewegungsübertragung zwischen parallelen Wellen und werden vornehmlich dort eingesetzt, wo Achsabstände zuüberbrücken sind, für die Zahnrä der nicht möglich oder nicht sinnvoll sind, und wo Riementriebe wegen ungünstiger Raum-, -Obersetzungs- oder Achsabstandsverhältnisse nicht realisiert werden können. Kettentriebe können mit kleineren Umschlingungswinkeln am kleinen Kettenrad und kleineren Achsabstä nden als entspr. Riementriebe wesentlich größere Krä fteü bertragen. Da sie keine nennenswerte Vorspannung erfordern, belasten sie die Wellen und Lager weniger stark. Allerdings arbeiten Kettentriebe nicht so elastisch wie Riementriebe, erfordern mehr Wartung, müssen geschmiert und oftmals auch gegen Staubeinwirkungen geschützt werden und laufen geräuschvoller. Außerdem sind die Ketten und die verzahnten Räder wesentlich teurer als Riemen und Riemenscheiben.

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26. Flachriementriebe

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Flachriementriebe sind reibschlüssige Hülltriebe, die zur Kraft- und Bewegungsü bertragung zwischen zwei oder mehr Wellen dienen, vorzugsweise unter größerem Achsabstand. Sie sind einfacher und billiger als Kettentriebe, erfordern diesen gegenü ber aber größere Abmessungen. Sie zeichnen sich durch ihre Elastizität aus, die sie zur Aufnahme von Stößen geeignet macht, und durch geräuscharmen Lauf. Nachteilig sind die durch die erforderliche Vorspannung bedingten größeren Achskräfte, die auf die Wellen und Lager wirken. Vorteilhaft ist der bei Oberlastung auftretende Gleitschlupf, weil er die nachfolgende Maschine vor Schaden bewahrt und auch den Antriebsmotor vor Oberlastung schützt.

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27. Keilriementriebe

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Keilriementriebe sind wie Flachriementriebe kraftschlüssige Hülltriebe zur Kraft- und Bewegungsübertragung zwischen zwei oder mehr Wellen. Gegenüber Flachriementrieben besitzen sie bei gleicher Anpresskraft eine etwa dreifache Obertragungsfähigkeit. Sie laufen weich an, ziehen praktisch schlupflos durch und kommen mit einem kleineren Umschlingungswinkel an der kleinen Scheibe aus, sodass sie große Obersetzungen ermöglichen. Ihr Platzbedarf ist demzufolge geringer, und auch die Wellen- und Lagerbelastungen sind kleiner. Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit, bis etwa 16 Keilriemen nebeneinander auf einer Scheibe laufen zu lassen. Sie haben die Flachriemen-Spannrollentriebe stark verdrängt. Bei sehr großen Achsabständen sind Keilriemen jedoch nicht geeignet.

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28. Synchron- oder Zahnriementriebe

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Synchron- oder Zahnriemen sind mit Zä hnen versehene Flachriemen, die in entspr. Synchron- oder Zahnscheiben eingreifen und dadurch die Kraft- und Bewegungsübertragung zwischen zwei oder mehr Wellen durch Formschluss bewerkstelligen. Im Verhältnis zu ihren Abmessungen und ihrem Gewicht können sie hohe Leistungenübertragen, laufen ohne Schlupf sehr ruhig, erzeugen relativ kleine Wellen- und Lagerbelastungen, arbeiten wartungsfrei und brauchen nicht nachgespannt zu werden. Man findet sie außer in der Feinwerktechnik auch in vielen Sparten des Maschinenbaus, z. B. Werkzeugmaschinen, Spritzgussmaschinen, Gummi-Kalandern, Langhobelmaschinen, Schlagmühlen, Rüttelwalzen, Verbrennungsmotoren usw. Ungezahnt können die Riemen auch als Kunststoff-Flachriemen dienen.

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29. Rohrleitungen

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In Rohrleitungen werdenüberwiegend Flüssigkeiten und Gase geführt. Sie dienen aber auch zur Förderung von breiartigen Stoffen und Schüttgütern sowie zur -Obertragung von Drücken. Zur Fluidtechnik im engeren Sinne gehören die Hydraulik und Pneumatik.

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30. Armaturen

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Unter Armaturen versteht man Bauteile, die in Systemen aus Rohrleitungen, Behältern, Apparaten und Maschinen als Absperrorgane, als Regelorgane oder als Sicherheitsorgane eingesetzt werden. Nach ihrer Bauart sind es Ventile, Schieber, Hähne oder Klappen. Sieüben die Funktion des Schaltens und Stellens aus. Armaturen in Rohrleitungen werden auch als Rohrleitungsschalter bezeichnet.

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