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Über dieses Buch

Verständnisfragen, Aufgaben und durchgerechnete Lösungen dieses neuen Übungsbuchs bieten dem Maschinenbaustudenten gezielte Unterstützung bei seiner Prüfungsvorbereitung. Durch die Abstimmung auf das Lehrbuch von Steinhilper/Sauer ist der Lernfortschritt vorgezeichnet. Die Aufgaben wurden auf die Kapitelfolge des Lehrbuchs abgestimmt.

Das Autorenteam:

Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. Albert Albers, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Prof. Dr.-Ing. Ludger Deters, Universität Magdeburg

Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen, RWTH Aachen

Prof. Dr.-Ing. Erhard Leidich, TU Chemnitz

Prof. Dr.-Ing. habil. Heinz Linke, TU Dresden

Prof. Dr.-Ing. Gerhard Poll, Leibnitz Universität Hannover

Prof. Dr.-Ing. Bernd Sauer, TU Kaiserslautern

Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Wallaschek, Leibnitz Universität Hannover

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

Zum Erlernen eines Sachgebietes ist es nicht allein ausreichend, sich durch Bücher und Vorlesungen die Zusammenhänge erklären zu lassen, sondern es ist auch notwendig einige Aufgaben, die es auch im beruflichen Leben in ähnlicher Weise zu lösen gibt, als Übung zu bearbeiten.

Bernd Sauer

2. Normen, Toleranzen, Passungen und Technische Oberflächen

Normen stellen in einer industrialisierten Gesellschaft ein wichtiges Element dar, das neben Patenten und Lizenzen auch im Feld von Innovationen, neuen Produkten und Dienstleistungen zum Wirtschaftswachstum beiträgt. Sie fördern die Standardisierung von Produkten, die dann in großen Stückzahlen preiswert hergestellt werden können. Wichtig ist dabei die Kenntnis, dass sich die Normung nicht auf jedes Teil eines technischen Systems, sondern im Wesentlichen auf die Schnittstellen und gegebenenfalls auf die Bezeichnung bezieht (Beispiel E-Motor). Damit sind die Produkte weltweit austauschbar, trotzdem bleibt für Innovationen und damit für die Differenzierung der Wettbewerber untereinander genügend Raum.

Bernd Sauer

3. Grundlagen der Festigkeitsberechnung

Die Grundlagen zur Festigkeitsberechnung von Bauteilen bilden die Regeln der technischen Mechanik. Die Mechanik behandelt die Grundbeanspruchungen aus Zug, Druck, Schub, Biegung und Torsion sowie zusammengesetzte Beanspruchungen, die mit Hilfe von Vergleichsspannungshypothesen auf einachsige Beanspruchungen zurückgeführt werden. Eine Teilaufgabe eines Festigkeitsnachweises ist es, die

Beanspruchung

im Bauteil (rechnerisch) zu ermitteln.

Bernd Sauer

4. Gestaltung von Elementen und Systemen

Der Gestaltung von Elementen und Systemen kommt eine ausgesprochen große Bedeutung zu. Der Konstrukteur hat beispielsweise die Gestalt eines Bauteiles festzulegen. Gleichzeitig ist aber auch das Herstellverfahren, die Materialauswahl, das Halbzeug, der Korrosionsschutz, die spätere Montage, die Funktion unter Festigkeitsgesichtspunkten zu berücksichtigen. Dies macht die Aufgabe der Gestaltung anspruchsvoll aber auch herausfordernd und spannend. Die Wirtschaftlichkeit eines Elementes oder Systems wird über die Gestaltung festgelegt. Ein weiteres Wesen der Konstruktionsgestaltung ist es, dass es nicht nur eine „gute“ Lösung für eine Aufgabenstellung gibt. Es existieren aufgrund der Gestaltungsvielfalt beliebig viele Lösungen, die vielfach nicht als „richtig“ oder „falsch“ eingeordnet werden können, sondern die „gut“ oder „besser“ sein können. Folgend soll an drei Beispielen die Gestaltung gezeigt werden.

Bernd Sauer

5. Federn

Ein wichtiges Konstruktionselement sind die Federn, die es in einer Vielzahl von Varianten gibt. Alle beruhen auf dem gleichen Prinzip durch geeignete Gestaltung die Elastizität eines Werkstoffes gezielt auszunutzen. Je nach Art entstehen dabei verschiedene Hauptbeanspruchungen wie Zug/Druck, Biegung, Torsion und Scherung, welche die Grundlage für die Berechnung liefern. Federn lassen sich nicht nur nach der Art der Beanspruchung, sondern auch nach verschiedenen Aspekten, wie Werkstoff, Gestalt und Funktion klassieren.

Bernd Sauer

6. Schrauben und Schraubenverbindungen

Schraubenverbindungen gehören zu den meist verwendeten lösbaren Verbindungen. Ihre Funktion und Wirkungsweise zu verstehen stellt eine wichtige Etappe in der Ingenieurausbildung dar. In den Übungen zu Schraubenverbindungen stehen Berechnungen im Vordergrund, auch wenn der beanspruchungsgerechten Gestaltung ebenfalls eine große Bedeutung zukommt. Die Auslegung von Schraubenverbindungen wird durch eine einfach anzuwendende Vorgehensweise aus VDI 2230 unterstützt. Dabei wird nach Berücksichtigung der Lasthöhe und Belastungssituation die Schraubengröße für eine gewählte Schraubenfestigkeit gewählt.

Bernd Sauer

7. Achsen und Wellen

In allen technischen Systemen, in denen translatorische oder rotatorische Bewegungen stattfinden, sind Achsen oder Wellen unverzichtbar. Zwangsläufig ist die Nachrechnung oder Dimensionierung dieserMaschinenelemente eine der häufigsten Aufgaben der Konstrukteure in der Praxis. Obwohl das Berechnungsziel sehr unterschiedlich sein kann, stehen dem Anwender dafür meist standardisierte Berechnungsalgorithmen zur Verfügung, die häufig auch in Normen niedergelegt sind. Oft entstehen daraus noch kommerzielle Berechnungsprogramme, so dass die Ergebnisse leicht ermittelbar und vergleichbar sind.

Bernd Sauer

8. Fügeverfahren

Zum Fügen mehrerer Bauteile kommen verschiedenste Verfahren in Frage. Die Auswahl eines geeigneten Fügeverfahrens basiert auf den Anforderungen an die Fügestelle, die Verbindung und den Werkstoff. Darüber hinaus bestehen fertigungstechnische Anforderungen. Einige dieser Kriterien zur Wahl des Fügeverfahrens sind in Abb. 8.1 dargestellt. Im Folgenden werden Übungsaufgaben zum Schweißen, Kleben und Nieten behandelt. Weitere Informationen zu den Fügeverfahren finden Sie im Lehrbuch Steinhilper/Sauer in Kapitel 8.

Bernd Sauer

9. Welle-Nabe-Verbindungen

Welle-Nabe-Verbindungen (WNV) sind maßgebende Funktionselemente in allen Antriebsaggregaten. Bei Leistungssteigerungen stehen sie oft im Fokus, da sie im Kraftfluss leistungsbegrenzend sind. Der Ausfall einer WNV ist nahezu immer mit einem Systemstillstand verbunden. Es ist daher von essentieller Bedeutung, dass in den Normen und Richtlinien die maßgebenden Einflussfaktoren gemäß ihrer physikalischen Wirkung erfasst werden.

Bernd Sauer

10. Reibung, Verschleiß und Schmierung

In vielen Konstruktionselementen sind Fragen bezüglich Reibung, Verschleiß und Schmierung sehr wichtig, wie z.B. in Gleitlagern, Wälzlagern und Führungen, Dichtungen, Zahnrad- und Kettengetrieben, Reibradgetriebe, Keil- und Flachriemengetriebe, Kupplungen, Bewegungsschrauben, Kolben/Zylinder-Paarungen usw. Um die eingebrachte Antriebsenergie bei gleichzeitig hoher Lebensdauer des Konstruktionselementes gering zu halten, sollten Reibung und Verschleiß möglichst klein sein. Die Forderungen nach möglichst geringer Reibung und niedrigem Verschleiß können häufig durch eine passende Schmierung realisiert werden.

Bernd Sauer

11. Lagerung, Gleitlager, Wälzlager

1) Was wird unter einem „Festlager“ verstanden?

Bernd Sauer

12. Dichtungen

Statische und dynamische Dichtungen sind ausgesprochen wichtige Maschinenelemente und in vielen Fällen entscheidend für die Funktion einer Maschine oder Anlage. Während die Dichtung als Bauteil häufig vergleichsweise wenig Kosten beansprucht, kann der Schaden, der entsteht, wenn die Dichtung ausfällt, um ein tausendfaches höher sein. Daher ist der sachgerechte Einbau einer Dichtung und das Wissen zur Funktionsweise von großer Bedeutung für den Ingenieur. Neben dem Dichtelement spielen die Oberflächen der angrenzenden zum Dichtsystem gehörenden Bauteile eine ebenso wichtige Rolle, um die Dichtfunktion zu gewährleisten. Dichtungen können heute nur zum Teil berechnet werden, um so wichtiger ist die richtige Gestaltung und der richtige Einbau.

Bernd Sauer

13. Antriebssysteme

Die wichtigsten Antriebssysteme sind die rotativen und linearen Systeme, die sich aus den drei Teilsystemen Antriebs- oder Kraftmaschine, Antriebsstrang und Arbeitsmaschine zusammensetzten. Die bekanntesten Vertreter der Antriebsmaschinen, welche zum Teil im Hybridfahrzeug parallel oder seriell vorkommen, sind der Verbrennungsmotor und der Elektromotor. Sie stellen die erforderlich Energie als mechanische Energie in Form von Drehmoment und Drehzahlt bereit.

Bernd Sauer

14. Kupplungen und Bremsen

Kupplungen und Bremsen sind nicht nur in der Fahrzeugtechnik, sondern allgemein im klassischen Maschinenbau ein wichtiges Element. Die Hauptfunktion einer Kupplung liegt darin, rotierendeWellen in erster Linie form- oder kraftschlüssig miteinander zu verbinden. Eine Bremse hingegen ist ein kraftschlüssiges Maschinenelement, das bewegte und stehende Komponenten verbindet und dadurch die bewegte Komponente abbremst oder festhält. Des Weiteren kann eine Kupplung z. B. toleranzbedingte Nebenfunktionen, wie das Ausgleichen eines Wellenversatzes, erfüllen. Grundsätzlich lassen sich Kupplungen in schaltbare und nichtschaltbare Kupplungen einteilen, während Bremsen immer schaltbar sein müssen.

Bernd Sauer

15. Zahnräder und Zahnradgetriebe

Die Auslegung von Zahnradgetrieben ist ein iterativer Prozess. Je nach Anwendung werden bei der Auslegung ggf. schon einige Daten vorgewählt, wie zum Beispiel derModul oder derWellenabstand, da dieser in einigen Anwendungen durch andere Randbedingungen vorgeben sein kann. Die erste Aufgabe besteht darin die Geometrie einer Getriebestufe festzulegen. Dazu wird der Ritzeldurchmesser überschlägig ermittelt, im Anschuss erfolgen weitere Schritte, in denen Modul, Zahnbreite und weitere Größen festgelegt werden.

Bernd Sauer

16. Zugmittelgetriebe

Zugmittelgetriebe bestehen aus zwei (oder auch mehreren) Scheiben bzw. Rädern, die von einem Zugmittel (Riemen oder Kette) umschlungen werden. Die Bauteile der Zugmittelgetriebe (Riemenscheiben, Riemen, Kettenräder, Ketten) sind weitgehend genormt und kostengünstig verfügbar. Riemengetriebe lassen sich besonders vielfältig einsetzen, und benötigen keine Schmierung. Sie bedürfen zwar regelmäßiger Überprüfung, gelten aber als wartungsarm.

Bernd Sauer

17. Reibradgetriebe

Reibradgetriebe übertragen Kräfte bzw. Momente reibschlüssig. Sie bieten für bestimmte Anwendungen Vorteile, allerdings muss der Schlupf im Wälzkontakt begrenzt bleiben, um keinen unzulässigen Verschleiß in Kauf nehmen zu müssen. Von großem Vorteil ist, dass stufenlose einstellbare Übersetzungen realisiert werden können. Nachteilig ist, dass der erreichbare Wirkungsgrad durch den Schlupf begrenzt wird.

Bernd Sauer

18. Sensoren und Aktoren

Ein Hydraulikzylinder soll bei einem Arbeitsdruck von 200 bar eine Kraft von 150 kN erzeugen und dabei eine stationäre Verstellgeschwindigkeit von 150 mm/s erreichen. Die Reibungskraft zwischen Kolben und Wand kann mit etwa 10 kN abgeschätzt werden.

Bernd Sauer
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