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Über dieses Buch

In dem Buch werden die wichtigsten Maschinenelemente und deren Dimensionierung kurz und verständlich erläutert. Es gelingt dem Autor, die richtige Auswahl für die Praxis geeigneter Bauteile zu treffen, sie zu charakterisieren und die wesentlichen Berechnungen vorzustellen. Berücksichtigt werden außer EN und ISO auch US-Normen ANSI. Außerdem werden Maschinenelemente für Fluide berücksichtigt und es gibt Verweise auf die entstehenden Kosten.Die ZielgruppenDas Buch wendet sich an Studierende an Universitäten und Fachhochschulen in technischen Studiengängen, wie z.B. Maschinenbau, Fahrzeugtechnik, Verfahrenstechnik, Feinwerktechnik, aber auch an interdisziplinäre Studiengänge wie Wirtschaftsingenieurwesen oder Mechatronik. Daneben ist es auch sehr gut geeignet für den Ingenieur in der Praxis, der bei Problemen schnell die theoretischen Grundlagen ermitteln und Lösungen generieren kann.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Dimensionierungsgrundlagen

Zusammenfassung
Prinzipiell sind Bauteile so zu dimensionieren, dass sie die auf sie wirkenden Kräfte mit ausreichender Sicherheit aufnehmen können, ohne unzulässigen Schaden zu nehmen. Mögliche Schäden/Versagensarten hierbei können sein:
  • unzulässige Verformungen,
  • Bruch (Gewalt- oder Zeit-/Dauerbruch),
  • Knickung, Beulen,
  • unzulässiger Verschleiß,
  • unzulässige Erwärmung.
In der Praxis sind meist mehrere Versagensarten möglich. In diesem Fall ist jede einzelne Versagensart zu überprüfen.
Grundsätzlich müssen die auftretenden mechanischen Spannungen an jeder Stelle des Bauteils kleiner sein als die entsprechend zulässigen Spannungen.
Die Höhe der zulässigen Spannungen wird maßgeblich bestimmt durch:Neben den oben genannten Faktoren können weitere Einflussgrößen wie beispielsweise vorhandene Eigenspannungen, Oberflächenrauigkeiten oder unterschiedliche Gefügestrukturen den Wert der zulässigen Spannung beeinflussen. Diese Abhängigkeit von den lokalen Gegebenheiten führt dazu, dass in verschiedenen Bereichen eines Bauteils unterschiedliche zulässige Spannungen vorliegen können.
Die Begriffe Belastung und Beanspruchung werden in der Praxis oft nicht ausreichend differenziert. Im Weiteren werden die Begriffe wie folgt verwendet:
Wirken äußere Kräfte und Momente auf ein Bauteil, wird von einer Belastung gesprochen, woraus eine Beanspruchung des Bauteils resultiert.
Frank Engelmann

2. Verbindungselemente

Zusammenfassung
Verbindungselemente werden genutzt, um Bauteile zu fügen und/oder ihre Lage zueinander zu definieren. Mit ihrer Hilfe lassen sich Kräfte übertragen. Das Wirkprinzip der Verbindung kann auf Formschluss, Kraftschluss oder Stoffschluss basieren (siehe Tab. 2.1).
Bei einigen Verbindungsmethoden (beispielsweise Nietverbindungen, Keilverbindungen, Passschrauben) kommen gleichzeitig mehrere Wirkprinzipien zur Anwendung, sodass eine klare Trennung zwischen den Wirkprinzipien nicht möglich ist.
Formschlüssige Verbindungselemente wie Bolzen, Stifte, Passfedern, Scheibenfedern, Keile, Profilwellen, Nieten u. a. sind durchgehend genormt und als Normteile verfügbar.
Über formschlüssige Verbindungen lassen sich im Gegensatz zu kraft- oder stoffschlüssigen Verbindungen Bauteile sowohl fest als auch beweglich miteinander verbinden. Bewegliche Verbindungen werden beispielsweise bei gelenkigen Bolzenverbindungen oder zum Längenausgleich bei Gelenkwellen benötigt.
Darüber hinaus lassen sich Formschlussverbindungen im Regelfall zerstörungsfrei lösen, wobei die Niete eine Ausnahme darstellt.
In Abhängigkeit von der Belastung werden die Verbindungselemente vor allem auf Flächenpressung, Abscherung und ggf. auf Biegung beansprucht.
Die nachfolgend aufgeführten Berechnungsansätze geben einen Überblick über die Dimensionierung der einzelnen Verbindungselemente. Dabei ist zu beachten, dass die Berechnungsansätze unter Umständen auf den spezifischen Berechnungsfall anzupassen sind.
Frank Engelmann, Thomas Guthmann

3. Achsen und Wellen

Zusammenfassung
Achsen sind im Allgemeinen rotationssymmetrische Geometrien zur Lagerung von drehbeweglichen Bauteilen wie beispielsweise Laufräder oder Seilrollen. Definitionsgemäß übertragen sie dabei kein Drehmoment und werden vorwiegend durch Biegemomente und Querkräfte belastet. Axialkräfte können ebenfalls auftreten, sind aber im Regelfall von untergeordneter Bedeutung.
Prinzipiell wird zwischen feststehenden und umlaufenden Achsen unterschieden. Bei feststehenden Achsen drehen sich die entsprechend gelagerten Bauteile lose auf der ortsfesten Achse. Folglich entsteht die Beanspruchung im Regelfall nur ruhend oder schwellend durch Schub aus den Querkräften und durch Biegung. Umlaufende Achsen definieren sich durch die festsitzenden Bauteile, welche gemeinsam mit der Achse umlaufen, woraus eine Wechsel- und Umlaufbiegung resultiert. Infolgedessen besitzen umlaufende Achsen bei gleicher Form und gleichem Werkstoff infolge der Wechselbelastung eine geringere Tragfähigkeit als feststehende Achsen.
Frank Engelmann

4. Welle-Nabe-Verbindungen

Zusammenfassung
Unter dem Begriff Welle-Nabe-Verbindungen (WNV) werden drehfeste Verbindungen zwischen einer Welle und einem darauf befestigten Bauteil (Nabe) zusammengefasst. Die Naben können dabei rotationssymmetrisch (beispielsweise Zahnräder, Riemenscheiben, Seilrollen) oder nichtrotationssymmetrisch (beispielsweise Hebel) aufgebaut sein.
Vorranging dienen die Verbindungen zur Übertragung von Drehmomenten (Umfangskräfte) und Drehbewegungen, wobei unter bestimmten Umständen auch die Übertragung von Axial- beziehungsweise Querkräften oder Biegemomenten möglich ist.
Prinzipiell wird zwischen formschlüssig, kraftschlüssig, stoffschlüssig und vorgespannt-formschlüssigen WNV unterschieden.
Frank Engelmann, Thomas Guthmann

5. Wälzlager

Zusammenfassung
Die Hauptaufgabe von Lagern ist das Führen von zueinander beweglichen Bauteilen sowie die Aufnahme und Weiterleitung der wirkenden Kräfte. Hierbei sollen sie Bewegungen (Rotation und Translation) in gewünschten Freiheitsgraden ermöglichen und in unerwünschten Freiheitsgraden sperren.
Prinzipiell lassen sich Wälzlager und Gleitlager unterscheiden. Die Bewegung beziehungsweise Kraftübertragung bei Wälzlagern erfolgt über Wälzkörper, welche zwischen Ringen oder Scheiben angeordnet sind. Es dominiert Rollreibung, wodurch sich geringe Energieverluste ergeben. Bei Gleitlagern reiben die zueinander beweglichen Flächen direkt aufeinander.
Wälzlager werden bevorzugt als wartungsfreie beziehungsweise wartungsarme Lagerungen unter normalen Anforderungen wie beispielsweise in Getrieben, Werkzeugmaschinen, Förderanlagen oder Fahrzeugen aller Art eingesetzt. Auch bei Spindelführungen oder Drehtürmen kommen sie zur Anwendung, da sie aus dem Stillstand heraus und bei kleinen Drehzahlen reibungsarm laufen und hohe Belastungen ertragen. Ihre Vor- und Nachteile finden sich in Tab. 5.1.
Frank Engelmann, Thomas Guthmann

6. Gleitlagerungen

Zusammenfassung
Gleitlager werden sehr häufig zur radialen oder axialen Lagerung von Bauteilen eingesetzt. Die sich zueinander bewegenden Teile gleiten bei dieser Lagerbauart aufeinander ab, wobei sich die Gleitflächen berühren können oder durch ein Zwischenmedium (meist Öl oder Fett) getrennt werden. Die Vor- und Nachteile von Gleitlagern sind in Tab. 6.1 aufgelistet.
Je nach Lagerbauart und Schmierzustand treten hierbei Trockenreibung, Oberflächenschichtenreibung, Mischreibung und Flüssigkeitsreibung auf .
Trockenreibung (Abb. 6.1a) ist technologisch kaum von Bedeutung, da sich unter atmosphärischen Bedingungen an allen technischen Oberflächen Reaktionsschichten ausbilden beziehungsweise Gas- oder Flüssigkeitsmoleküle anhaften, welche im Regelfall den Reibwiderstand verringern.
An ungeschmierten technischen Oberflächen unter atmosphärischen Bedingungen tritt Oberflächenschichtenreibung (Abb. 6.1b) auf. Der Gleitvorgang wird hierbei durch das ständige Abscheren und Neubilden der Oberflächenschichten mit niedriger Scherfestigkeit begünstigt.
Trockenschmierung liegt vor, wenn der Reibvorgang durch das Aufbringen von Festschmierstoffen wie Graphit, Molybdän(IV)-sulfid, sehr feiner Keramikpartikel oder Kunststoffen (PTFE, PA, POM) begünstigt wird. Festschmierstoffe wirken auf zwei Arten: Die Kontaktflächen werden durch die Feststoffpartikel getrennt und können auf diesen gleiten/abrollen. Gleichzeitig füllen sie Unebenheiten auf, wodurch sich das Tragverhalten der Oberflächen verbessert.
Thomas Guthmann

7. Dichtungen

Zusammenfassung
Dichtungen sind Bauteile oder konstruktiv gestaltete Elemente zur räumlichen Trennung von festen, flüssigen oder gasförmigen Medien mit dem Ziel, den Stoffaustausch zu verhindern, beziehungsweise auf ein zulässiges Niveau (zulässiger Leckageverlust) zu reduzieren. Eine absolute Dichtheit im physikalischen Sinn (vollständiges Unterbinden eines Stoffaustausches) ist technologisch nicht zu bewerkstelligen, da Diffusionsvorgänge nicht zu unterbinden sind.
Neben der absperrenden Wirkung erfüllen Dichtungen oftmals weitere Zusatzfunktionen wie beispielsweise Wärmeleitung/-isolierung, elektrische Isolation, Schwingungsdämpfung, Kraftübertragung und Führungsfunktion beziehungsweise Lagefixierung.
Grundsätzlich lassen sich statische und dynamische Dichtungen unterscheiden, wobei jeweils eine weitere Unterteilung in berührende und berührungslose Dichtungen erfolgt (Abb. 7.1).
Bei statischen Dichtungen sind die zueinander abzudichtenden Räume beziehungsweise die Dichtflächen gegeneinander nicht verschiebbar. Vorrangig werden berührende Dichtungen verwendet, berührungslose Dichtungen haben nur eine untergeordnete Bedeutung.
Sind die Dichtflächen zueinander verschiebbar oder drehbar gelagert, spricht man von dynamischen Dichtungen. Diese können berührend oder berührungslos ausgeführt sein.
Eine absolute Dichtheit im technischen Sinn ist nur durch elastische oder elastisch-plastische Verformungen der sich berührenden Dichtflächen oder durch stoffschlüssige Verbindungen erreichbar.
Frank Engelmann, Thomas Guthmann

8. Zahnräder und Zahnradgetriebe

Zusammenfassung
Zahnräder werden paarweise zur formschlüssigen und damit schlupffreien Übertragung von Momenten (Zahnrädern) und Kräften (Zahnstangen) eingesetzt. Die Zahnräder berühren sich dabei an den Zahnflanken.
Kombinationen von einem oder mehreren Zahnradpaaren werden als Zahnradgetriebe bezeichnet. Mit ihnen lassen sich sowohl die Bewegungsrichtung, die Drehzahl und das Drehmoment umformen als auch der Achsabstand und die Winkellage anpassen.
In Tab. 8.1 sind die Vor- und Nachteile von Zahnradgetrieben aufgelistet.
Zahnräder lassen sich unter anderem nach ihrer Geometrie (z. B. Zylinderräder, Kegelräder, Schraubenräder, Zahnstangen), dem Flankenprofil (z. B. Evolventenverzahnung, Hypoidverzahnung), dem Winkel der Zahnflanken bezogen auf die Drehachse (z. B. Geradverzahnung, Schrägverzahnung, Bogenverzahnung) und der Lage der Verzahnung zum Radkörper (Außenverzahnung, Innenverzahnung) unterscheiden.
Zahnradgetriebe werden anhand der verwendeten Zahnräder differenziert (siehe Tab. 8.2). Zudem können sie auch anhand folgender Merkmale eingeteilt werden:
  • der Kinematik der Wälzbewegung, z. B. Wälzgetriebe, Schraubgetriebe, Schraubwälzgetriebe,
  • der Stufenzahl, z. B. einstufig, mehrstufig,
  • der Schaltbarkeit, z. B. schaltbare, nicht schaltbare Getriebe,
  • der Lage von An- und Abtriebswellen, z. B. parallel, kreuzend, schneidend,
  • dem Verwendungszweck, z. B. Verteilergetriebe, Untersetzungsgetriebe.
Frank Engelmann, Thomas Guthmann

9. Federn

Zusammenfassung
Federn sind Bauteile, welche aufgrund ihrer Gestaltung und Formgebung eine besonders hohe elastische Verformung aufweisen.
Sie werden eingesetzt zur:
  • Rückführung eines Bauteils in die Ausgangslage (z. B. Ventilfedern, Rückstellfedern bei Betätigungselementen),
  • Speicherung potenzieller Energie (z. B. Uhrenantrieb, Federmotor in Spielzeugautos, Federspeicher in Hydrauliksystemen),
  • Abmilderung von Stößen und Schwingungen durch Abfangen der Stoßenergie auf längeren Wegen,
  • Aufrechterhaltung einer nahezu konstanten Kraft bei kleinen Wegänderungen (z. B. Federscheiben zur Schraubensicherung, Federn an Kontaktelementen),
  • Aufteilung von Kräften (z. B. Federkernmatratzen),
  • Erzeugung der Normalkraft bei kraftschlüssigen Verbindungen (z. B. Reibkupplungen, Rutschkupplungen),
  • Messen von Kräften oder Momenten (z. B. Federkraftwaage, Drehmomentenschlüssel),
  • Beeinflussung des Schwingverhaltens von Maschinen (z. B. Vibrationsförderer).
Federn lassen sich in Abhängigkeit von ihrer Form (beispielsweise Tellerfeder, Spiralfeder, Blattfeder), der Belastungsart (beispielsweise Zugfeder, Torsionsfeder, Biegefeder) und des Federwerkstoffes (beispielsweise Metallfeder, Gummifeder) unterscheiden.
Frank Engelmann, Thomas Guthmann

10. Rohrleitungen

Zusammenfassung
Leitungen werden im großen Stil zum Führen und zum Transport von Fluiden oder riesel- beziehungsweise fließfähigen Feststoffen eingesetzt. Starre Leitungen werden hierbei als Rohre, flexible Leitungen als Schläuche bezeichnet. Anwendung finden Leitungen in praktisch allen Bereichen, in denen fließfähige Stoffe zum Einsatz kommen, angefangen von der Wasserinstallation in Haushalten, bis hin zu den komplexen Leitungssystemen in der chemischen Industrie oder Erdölraffinerien.
Die Größenordnung reicht von einfachen Kunststoffschläuchen oder Kapillarrohren mit Durchmessern deutlich unter 1 mm bis hin zu Pipelinerohren mit einem Durchmesser von deutlich über 1 m.
Das zu transportierende Medium bewegt sich aufgrund der im Leitungssystem herrschenden Druckdifferenzen, welche beispielsweise durch Pumpen, Gebläse oder Höhenunterschiede (hydrostatischer Druck) hervorgerufen werden. Der Absolutdruck im Rohrleitungssystem ist im Wesentlichen von der Festigkeit der Leitung und der Leistungsfähigkeit der Druckerzeuger begrenzt und liegt in einem Bereich von etwa 300 mbar bis hin zu mehreren tausend Bar.
Rieselfähige Feststoffe wie Sand, Getreide oder Granulat lassen sich nur mit Hilfe eines zusätzlichen Trägerfluids (meist gasförmig) entgegen der Schwerkraft transportieren.
Zu einem Rohrleitungssystem gehören neben den Leitungen auch Rohrformteile (beispielsweise Abzweigungen, Winkelbögen, Reduzierungen), Armaturen zum Stellen und Regeln des Durchflusses, Verbindungselemente (beispielsweise Flansche, Muffen, Fittinge), Elemente zum Ausgleich von Verformungen und Befestigungselemente.
Thomas Guthmann

11. Tabellen

Ohne Zusammenfassung
Frank Engelmann, Thomas Guthmann

Backmatter

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