Maschinenelemente

Frontmatter

1. Arbeitsmethoden in der Konstruktion

Zusammenfassung

„Ein Mann¹ der konstruieren will, der schaue erst mal und denke“: Dieses Wort von G. Niemann gilt auch heute noch, im Zeitalter von EDV, CAD, usw. und gerade hier. Siehe hierzu Abschn. 1.4.7. Man sollte prüfen, ob Ergebnisse und Zwischenergebnisse plausibel, sinnvoll und so zu akzeptieren sind, ggf. sind die Annahmen und Vorgaben zu korrigieren. — Vorab ist eines wichtig: Viele Einflüsse, Bedingungen, die außerhalb und zeitlich vor und nach dem eigentlichen Konstruieren liegen, sind sorgfältig abzuklären. Dies sind die funktionalen, technischen Anforderungen, wirtschaftliche Gesichtspunkte, Anforderungen des Arbeitsschutzes und Auswirkungen auf die Umwelt. Die meisten Schäden, Mängel und Beanstandungen beruhen auf ungenügender Vorklärung dieser Anforderungen.

Gustav Niemann, Hans Winter, Bernd-Robert Höhn

2. Gestaltung — Formgebung

Zusammenfassung

Die Hauptabmessungen eines Produkts sind oft vorgegeben oder man ermittelt sie mit Hilfe einer Überschlagsrechnung. Dann folgt, parallel, das Entwerfen, Gestalten und Nachrechnen, Abb. 1.4. Gestalten als Teil des Konstruktionsprozesses s. Abschn. 1.2.4.

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3. Praktische Festigkeitsberechnung

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Mit Hilfe der Festigkeitsberechnung ermittelt man die Spannungen und Verformungen eines Bauteils und prüft, ob ein Versagen, d.h. Bruch, unzulässige plastische oder elastische Verformung oder Instabilität (Knicken oder Beulen) mit ausreichender Sicherheit ausgeschlossen werden kann. Andererseits sollen die Sicherheiten gegen diese Versagensgrenzen nicht unnötig hoch sein, um den Werkstoff sinnvoll auszunutzen und um wirtschaftliche Lösungen zu erzielen: Sichere Funktion bei minimalen Kosten. Um diese Forderungen zu erfüllen, benötigt man möglichst genaue Angaben, die in einer umfassenden Anforderungsliste (Abschn. 1.2.1) zusammengefaßt werden sollten, allgemeine Gesichtspunkte s. Abb. 1.6.

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4. Leichtbau

Zusammenfassung

Leichtbaukonstruktionen sind meist erheblich aufwendiger hinsichtlich Entwicklung, Herstellung und Erprobung. Trotzdem bietet Leichtbau wirtschaftliche Vorteile, wenn nämlich die Gewichtsminderung anderweitige Einsparungen oder funktionelle Verbesserungen zur Folge hat. Einige Beispiele:

• andere Bauteile werden entlastet und können entsprechend leichter gehalten werden (z. B. Pleuel bei schnellaufenden Verbrennungsmotoren, Fundamente),
• höhere Drehzahlen und somit höhere Leistungen sind möglich und damit eine Reduzierung des Leistungsgewichts,
• bei gleichem Gesamtgewicht ist eine höhere Nutzlast möglich (z. B. in der Fahrzeug- und Fördertechnik, Abschn. 4.6),
• geringere, laufende Betriebskosten führen zu Energieersparnis und geringeren Unterhaltskosten bei Fahrzeugen, Abschn. 4.6,
• Transportkosten werden kleiner (z. B. bei Baumaschinen),
• erleichterte Handhabung z. B. durch leichtere Werkzeuge oder Vorrichtungen,
• manche Anwendungen (z. B. Luft- und Raumfahrt) sind überhaupt erst durch Leichtbau möglich.

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5. Werkstoffe, Wärmebehandlung, Oberflächenbehandlung

Zusammenfassung

Sichere Funktion sowie Herstell-(z.T. auch Betriebskosten von Maschinen hängen in hohem Maße von der Wahl des Werkstoffs und dessen Wärmebehandlung ab. Mitunter ergibt sich die optimale Lösung durch eine zusätzliche Oberflächenbehandlung der Maschinenteile (Überzüge, Beschichtungen).

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6. Allgemeines über Normen, Toleranzen, Passungen und Oberflächen

Zusammenfassung

Durch einheitliche Abmessungen, Größenabstufungen, Qualitätsvorschriften usw. kann man die Typenzahl von Erzeugnissen verringern und damit die Lagerhaltung, Ersatzteilbeschaffung und Handhabung erheblich erleichtern, ferner aber auch die Herstellung verbilligen, die erforderliche Qualität sichern, die Sicherheit und Kontrolle im technischen Verkehr erhöhen und Doppelarbeit vermeiden. Normen sind auch für die Schnittstellen von Maschinen und Geräten (z. B. Antriebsmotor — Arbeitsmaschine, elektrische Anschlüsse) erforderlich.

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7. Schweißverbindung

Zusammenfassung

Beim Verbindungsschweißen wird der Werkstoff an der Verbindungsstelle zwischen zwei Bauelementen aufgeschmolzen oder aufgeweicht und verbindet diese unmittelbar oder mit Hilfe eines Zusatzwerkstoffs. Nach dem Abkühlen und Verfestigen entsteht eine Verbindungsstelle, die die Festigkeitseigenschaften der Bauteilwerkstoffe erreichen kann (im Gegensatz zu den meisten Löt- und Klebverbindungen). — Ferner: Schweißen ist oft die einzige Möglichkeit, die Funktion von Bauteilen bei Rissen und Brüchen schnell wiederherzustellen.

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8. Löt-, Kleb- und kombinierte Verbindungen

Zusammenfassung

Löten ist ein thermisches Verfahren zum Verbinden von metallischen ¹ Bauteilen. Im Gegensatz zum Schweißen geschieht dies mit Hilfe eines Zusatzmetalls (Lot) unterhalb der Schmelztemperatur der Bauteile. Die Lötverbindung zählt man zu den nichtlösbaren Stoffschlußverbindungen.²

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9. Nietverbindungen sowie Durchsetzfüge- und Blechform-Verbindungen

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Die Nietverbindung ist eine der ältesten und mit einfachen Mitteln herstellbare Verbindung von Blechen und Profilen, sie ist lösbar durch Abschlagen der Nietköpfe oder Ausbohren der Niete.

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10. Schraubenverbindungen, Gewinde

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Nach den Hauptfunktionen unterscheidet man Befestigungsschrauben und Bewegungsschrauben (Schraubgetriebe). Hauptfunktionen des Gewindes sind:

• Kraftübersetzung, d.h. große Axialkräfte durch kleine Umfangskräfte erzeugen (selten umgekehrt), Beispiel: Wagenheber oder/und
• Wegübersetzung, d.h. kleine Axialwege durch große Umfangswege erzeugen (selten umgekehrt), Beispiel: Mikrometerschraube.

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11. Stift- und Bolzenverbindungen

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Dies ist die einfachste und älteste Form der Verbindung von Bauteilen. — Definition: Stifte — verschiedener Bauformen — dienen zur festen Verbindung oder Zuordnung von Bauteilen; Bolzen sind ebenfalls Verbindungselemente, lassen aber Schwenkbewegungen eines Bauteils zu, z.B. in einem Gelenk.

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12. Elastische Federn

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Federn sind Elemente, die sich unter Belastung gezielt verformen und bei Entlastung wieder zurückverformen. Diese Funktion erreicht man durch geeignete Gestaltung oder/und Werkstoffwahl ¹. Entsprechend benennt man die Federn meist nach ihrer Gestalt und unterscheidet z.T. nach ihrer Beanspruchung. Beispiele: Tellerfeder, Abb. 12.24; Drehstabfeder, Abb. 12.32. Andererseits verwendet man die Bezeichnungen nach dem Werkstoff, z.B. Metallfeder, Gummifeder. Diese allgemeine Einteilung wird in den Abschn. 12.4... 12.7 benutzt.

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13. Wälzpaarungen

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Man spricht von einer Wäzbewegung, wenn die gekrümmten Oberflächen zweier Körper aufeinander rollen und gleiten. Genau genommen kommt reines Rollen bei technischen Anwendungen kaum vor. Auch wenn die Tangentialbewegung zwischen den beiden Wälzkörpern verhindert wird (Abb. 13.1b), finden im Bereich der verformungsbedingten Abplattung Mikro-Gleitbewegungen statt.

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14. Wälzlager

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Mit Hilfe von Führungen kann man ein Bauteil relativ zu einem anderen zwangfrei bewegen. Am wichtigsten sind Drehführungen (= Lager) und Linearführungen (meist Geradführungen). Ein Sonderfall sind Schwenkbewegungen; hierfür eignen sich Gelenke. In allen Fällen müssen die Führungen auch Kräfte übertragen.

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15. Gleitlager

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Lager allgemein s. Abschn. 14.0; dort werden auch Funktionen, Anforderungen, Grundbegriffe behandelt, ferner ein Vergleich von Wälz- und Gleitlagern. — Der vergleichsweise hohen Reibleistung und damit Erwärmung in Gleitlagern kann man durch folgende Maßnahmen begegnen:

• Ein Schmierfilm, der die Wirkflächen trennt, bestehend aus Öl, Wasser, Gas oder Festschmierstoff. — Die meisten Gleitlager im Maschinenbau werden mit Mineralöl geschmiert. Den Schmierfilm kann das Lager entweder selbst — hydrodynamisch — im Lagerspalt erzeugen oder er wird — hydrostatisch — extern durch Drucköl-(bzw. Druckluft-)Pumpen erzeugt und aufrechterhalten.

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16. Schmierung, Schmierstoffe, Reibung, Verschleiß, Korrosion

Zusammenfassung

Die Hauptfunktion der Schmierstoffe besteht i. allg. darin, Schäden an belasteten Oberflächen, die sich relativ zueinander bewegen, zu vermeiden; direkte Berührung der Bauteile soll möglichst verhindert, zumindest ihr Anteil gemindert werden. Bei vollhydrodynamischer Schmierung laufen derartige Paarungen verschleißfrei, sofern störende Fremdkörper vom Schmierspalt ferngehalten werden.

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17. Achsen und Wellen

Zusammenfassung

Achsen dienen zur Lagerung von Laufrädern, Seiltrommeln, Seil- und Kettenrollen u.a. Sie übertragen kein Drehmoment. Stillstehende Achsen (Abb. 17.1a, 17.4) werden statisch bis schwellend auf Biegung beansprucht, umlaufende Achsen (Abb. 17.1b) wechselnd auf Biegung.

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18. Welle-Nabe-Verbindungen

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Welle-Nabe-Verbindungen (WNV) übertragen Drehmoment und Drehbewegung von der Welle auf die Nabe (z.B. für Rotoren von Turbinen, Laufräder von Pumpen und Verdichtern, Zahnräder, Riemenscheiben) oder umgekehrt von der Nabe auf die Welle (Hauptfunktion); sie übertragen aber auch Querkräfte und Biegemomente (z.B. bei Zahnrädern und Riemenscheiben). Sie verhindern Relativbewegungen zwischen Welle und Nabe in Umfangsrichtung; wenn sie axial fest verbunden sind, können sie auch Axialkräfte übertragen. — Nach der Art der Kraftübertragung unterscheidet man Reibschluß-, Formschluß-, vorgespannte Formschluß- (d.h. Kombination von Reib- und Formschluß-), sowie Stoffschluß-Verbindungen (Schweißverbindung s. Kap. 7, Löt- und Klebverbindung s. Kap. 8).

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19. Dichtverbindungen

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Dichtungen haben die Aufgabe, Räume mit unterschiedlichen Stoffen oder Betriebszuständen (Druck, Temperatur) voneinander zu trennen, Verluste von Flüssigkeiten, z. B. Schmierstoffen, zu verhindern sowie empfindliche Bereiche gegen Eindringen von Fremdstoffen zu schützen.

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