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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Allgemeine und konstruktive Grundlagen

Zusammenfassung
Vergleichend mit der Definition des Begriffes Element in der Chemie kann das Maschinenelement im weitesten Sinne verstanden werden als das kleinste, nicht mehr sinnvoll zu zerlegendes und in gleicher oder ähnlicher Form immer wieder verwendetes Bauteil im technischen Anwendungsbereich. Hierunter sind sowohl Einzelbauteile wie Schrauben, Stifte, Wellen, Zahnräder usw. zu verstehen als auch Bauteile, die zwar aus mehreren Einzelbau teilen bestehen, aber hinsichtlich ihres Einsatzes als ein einheitliches Bauteil (Element) verwendet werden, z. B. Wälzlager, Kupplungen, Ventile usw.
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

2. Toleranzen, Passungen, Oberflächenbeschaffenheit

Zusammenfassung
Für das einwandfreie Funktionieren des Bauteiles, das reibungslose Zusammenarbeiten von Bauteilen und Bauteilgruppen sowie die Möglichkeit des problemlosen Austauschens einzelner Verschleißteile müssen alle funktionsbedingten Eigenschaften der Bauteile (z. B. die Maß-, Form-,Lagegenauigkeit und auch die Oberflächengüte) aufeinander abgestimmt sein. Ein genaues Einhalten der angegebenen Maße sowie der vorgeschriebenen ideal-geometrischen Form des Werkstückes ist infolge der Unzulänglichkeit der Fertigungsverfahren praktisch unmöglich und häufig aus Funktionsgründen auch gar nicht sinnvoll. Aus fertigungstechnischen Gründen müssen Abweichungen von den Nenngrößen zugelassen werden. Somit sind zur Herstellung eines bestimmten Werkstückes obere und untere Grenzwerte hinsichtlich der Abmessungen, der Form und der Oberflächenbeschaffenheit anzugeben. Hieraus ergeben sich u. a. vier Toleranzarten: Maßtoleranzen, Form- und Lagetoleranzen sowie Rauheitstoleranzen.
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

3. Festigkeitsberechnung

Zusammenfassung
Bei der Berechnung und Nachprüfung der Bauteilabmessungen muss gewährleistet sein, dass die Kraftwirkungen, die sich aus den äußeren Belastungen ergeben, mit ausreichender Sicherheit gegen Versagen des Bauteiles aufgenommen werden können. Die im jeweiligen gefährdeten Bauteilquerschnitt auftretende größte Spannung darf den für diese Stelle maßgebenden zulässigen Wert nicht überschreiten. Diese zulässige Spannung ist im Wesentlichen abhängig vom Werkstoff, von der Beanspruchungs- und Belastungsart sowie der geometrischen Form des Bauteiles und anderer Einflüsse, wie z. B. Bauteiltemperatur, Eigenspannungen, Werkstofffehler, korrodierend wirkende Umgebungsmedien. Die Dimensionierung eines Bauteiles richtet sich vor allem nach der Art seines möglichen Versagens (das Bauteil kann seine Funktion nicht mehr erfüllen), das in den meisten Fällen hervorgerufen wird durch
  • unzulässig große Verformungen,
  • Gewaltbruch,
  • Zeit- oder Dauerbruch,
  • Rissfortschreiten (Bruchmechanik),
  • Instabilwerden (z. B. Knicken, Beulen),
  • mechanische Abnutzung (z. B. Verschleiß, Abrieb),
  • chemische Angriffe (z. B. Korrosion).
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

4. Klebverbindungen

Zusammenfassung
Kleben (Leimen, Kitten) ist das Verbinden gleicher oder verschiedenartiger metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe durch Oberflächenhaftung mittels geeigneter Klebstoffe. Klebverbindungen gehören zu den unlösbaren Verbindungen (Verbindung ist ohne Zerstörung der Klebschicht bzw. der Bauteile nicht lösbar).
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

5. Lötverbindungen

Zusammenfassung
In DIN 8505 wird das Löten definiert als ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen und Beschichten von Werkstoffen, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes (Schmelzlöten) oder durch Diffusion an den Grenzflächen (Diffusionslöten) entsteht. Die Schmelztemperatur der Grundwerkstoffe wird dabei nicht erreicht.
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

6. Schweißverbindungen

Zusammenfassung
Beim Verbindungsschweißen werden die Teile am Schweißstoß durch Schweißnähte unlösbar zu einem Schweißteil zusammengefügt. Durch Schweißen von Schweißteilen entstehen Schweißgruppen. Das fertige Bauteil (Schweißkonstruktion) kann aus einer oder mehreren Schweißgruppen bestehen.
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

7. Nietverbindungen

Zusammenfassung
Nieten gehört nach DIN 8593&#x20130 zu den Fertigungsverfahren Fügen, wobei der Formschluss durch Umformen erreicht wird. Die nicht lösbare Verbindung kann nur unter Inkaufnahme einer Beschädigung oder Zerstörung der gefügten Teile wieder gelöst werden.
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

8. Schraubenverbindungen

Zusammenfassung
Die Schraube ist das am häufigsten und vielseitigsten verwendete Maschinen- und Verbindungselement, das gegenüber allen anderen in den weitaus verschiedenartigsten Formen hergestellt und genormt ist. Die Schraubenverbindung beruht auf der Paarung von Schraube bzw. Gewindestift mit Außengewinde und Bauteil mit Innengewinde (meist Mutter), wobei zwischen beiden Formschluss im Gewinde erzielt wird.
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

9. Bolzen-, Stiftverbindungen und Sicherungselemente

Zusammenfassung
Bauteile lassen sich einfach und kostengünstig mit Bolzen, Stiften oder ähnlichen Formteilen verbinden. Diese Verbindungselemente werden sowohl für lose als auch für feste Verbindungen, für Lagerungen, Führungen, Zentrierungen, Halterungen und zum Sichern der Bauteile gegen Überlastung, z. B. als Brechbolzen in Sicherheitskupplungen, verwendet.
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

10. Elastische Federn

Zusammenfassung
Alle elastischen Körper „federn“, d. h. unter Einwirkung einer Kraft F bzw. eines Kraftmomentes M(T) verformen sie sich elastisch. Dabei wird potentielle Energie gespeichert, die bei der Rückfederung unter Berücksichtigung der Reibungsverluste in Form von Arbeit wieder abgegeben werden kann. Je nach Aufgabenstellung wird von der Feder ein kleiner/großer Verformungsweg oder eine kleine/große Dämpfung1) gefordert. Beides kann erreicht werden durch
  • eine entsprechende Werkstoffwahl (z. B. Federstahl, Gummi)
  • eine günstige Formgebung (z. B. Federart, Bauabmessungen)
  • den Grad der Kompressibilität von Gasen oder Flüssigkeiten (Wahl des Mediums, Bauabmessungen).
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

11. Achsen, Wellen und Zapfen

Zusammenfassung
Achsen sind Elemente zum Tragen und Lagern von Laufrädern, Seilrollen, Hebeln u. ä. Bauteilen (Funktion). Sie werden im wesentlichen durch Querkräfte auf Biegung, seltener durch Längskräfte zusätzlich noch auf Zug oder Druck beansprucht. Achsen übertragen im Gegensatz zu Wellen kein Drehmoment. Feststehende Achsen (Bild 11–1 a), auf denen sich die gelagerten Teile, z. B. Seilrollen, lose drehen, sind wegen der nur ruhend oder schwellend auftretenden Biegung beanspruchungsmäßig günstig. Umlaufende Achsen (Bild 11–1 b), die sich mit den festsitzenden Bauteilen, z. B. Laufrädern, drehen, werden wechselnd auf Biegung beansprucht, so dass ihre Tragfähigkeit geringer ist als die bei feststehenden Achsen gleicher Größe und gleichem Werkstoff. Hinsichtlich der Lagerung sind sie jedoch vorteilhafter. Ein- und Ausbau, ReiI nigen und Schmieren der Lager sind bei der hierbei gegebenen Anordnung leichter möglich als in den häufig schwer zugänglichen umlaufenden Radnaben auf feststehenden Achsen.
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

12. Elemente zum Verbinden von Wellen und Naben

Zusammenfassung
Über die zahlreichen und vielgestaltigen Verbindungen von Wellen und Achsen mit den Naben von Laufrädern, Zahnrädern, Seilrollen, Hebeln und ähnlichen Bauteilen müssen die auf die Bauteile wirkenden Kräfte/Momente übertragen werden (Funktion). Je nach Art der Kraftübertragung (Wirkprinzip) lassen sich die Verbindungen unterteilen in:
1
Formschlüssige Verbindungen, bei denen die Verbindung durch bestimmte Formgebung (z. B. durch Keilwellenprofil, Kerbverzahnung und Polygonprofil) oder durch zusätzliche Elemente (z. B. Passfeder, Gleitfeder oder Querstift) als „Mitnehmer“ hergestellt wird. Die Kraftübertragung erfolgt an den Wirkflächen durch Flächenpressung. An den Bauteilen tritt oft erhöhte Kerbwirkung auf. Als Zusatzfunktion ist die Realisierung von Relativbewegungen außerhalb der Belastungsrichtung möglich, z. B. Verschieberäder in Getrieben.
 
2
Reibschlüssige Verbindungen, bei denen die Kraftübertragung reibschlüssig durch Aufklemmen und Aufpressen erfolgt (z. B. Pressverband, Kegelsitz, besondere Spannelemente). Es gilt das Coulombsche Reibungsgesetz.
 
3
Vorgespannte formschlüssige Verbindungen, die eine Kombination von Reib- und Formschlussverbindungen darstellen und vorwiegend durch Keile verschiedener Formen hergestellt werden. Zu diesen sind auch die z. B. durch Passfedern zusätzlich gesicherten Klemmverbindungen zu zählen.
 
4
Stoffschlüssige Verbindungen, bei denen die Verbindung durch Stoffschluss erfolgt (z. B. Kleben, Löten und Schweißen). Das Lösen dieser Verbindungen ist vielfach nur durch Zerstörung möglich. Die Beanspruchungen in der Verbindung sind nach den Gesetzen der Festigkeitslehre zu ermitteln.
 
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

13. Kupplungen und Bremsen

Zusammenfassung
Kupplungen dienen vor allem zur Übertragung von Rotationsenergie (Drehmomenten, Drehbewegungen) zwischen zwei Wellen oder einer Welle mit einem auf ihr drehbeweglich sitzenden Bauteil, z. B. Zahnrad. Neben dieser Hauptfunktion (Leitungsfunktion) können Kupplungen folgende Zusatzfunktionen haben:
  • Ausgleich von radialen, axialen und winkligen Wellenverlagerungen sowie Drehmomentstöße mildern oder dämpfen (Ausgleichsfunktion); Ein- und Ausschalten der Drehmomentübertragung (Schaltfunktion).
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

14. Wälzlager und Wälzlagerungen

Zusammenfassung
Lager haben die Aufgabe, relativ zueinander bewegliche, insbesondere drehbewegliche Teile in Maschinen und Geräten abzustützen und zu führen und die wirkenden äußeren Kräfte (quer, längs und/oder schräg zur Bewegungsachse) aufzunehmen und auf Fundamente, Gehäuse oder ähnliche Bauteile zu übertragen (Funktion). Die gestaltete Baugruppe wird als Lagerung bezeichnet.
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

15. Gleitlager

Zusammenfassung
Gleitlager sind Lager, bei denen die Relativbewegung zwischen Welle und Lagerschale bzw. einem Zwischenmedium eine Gleitbewegung ist, vgl. 14.1.1 (Bild 14-1 c und d).
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

16. Riementriebe

Zusammenfassung
Riementriebe sind Zugmittelgetriebe, bei denen das biegeweiche elastische Zugmittel „Riemen“ rein reibschlüssig (bei z. B. Flach-, Keil- und Keilrippenriemen) oder mit zusätzlichem Formschluss (bei z. B. Synchronriemen1)) die Umfangskraft als Zugkraft von der Antriebs- zur Abtriebswelle überträgt (Funktion); die Lage der Wellen kann parallel oder unter beliebigem Winkel im größeren Abstand zueinander sein. Außer zur Leistungsübertragung werden vorwiegend die Flachriemen auch als Transportgurte zum Weiterleiten von Schütt- und Stückgütern eingesetzt.
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

17. Kettentriebe

Zusammenfassung
Kettentriebe werden wegen ihrer Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit vielseitig für Leistungsübertragungen verwendet, z. B. bei Fahrzeugen, im Motorenbau, bei Landmaschinen, Werkzeug- und Textilmaschinen, bei Holzbearbeitungsmaschinen, Druckereimaschinen und im Transportwesen.
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

18. Elemente zur Führung von Fluiden (Rohrleitungen)

Zusammenfassung
Rohrleitungen dienen zur Führung von flüssigen, gasförmigen und feinen festen Stoffen. Wenn Verbindungen leicht lösbar sein sollen oder die Anschlussstellen gegeneinander beweglich sein müssen, werden statt der starren Rohre Schläuche verwendet. In Systemen aus Rohrleitungen, Apparaten und Behältern übernehmen Armaturen als Rohrleitungsteile die Funktion des Stellens und Schaltens.
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

19. Dichtungen

Zusammenfassung
Die Hauptfunktion von Dichtungen ist das Trennen von zwei funktionsmäßig verschiedenen Räumen gleichen oder unterschiedlichen Druckes, damit kein Austausch fester, flüssiger oder gasförmiger Medien zwischen diesen stattfinden kann oder dieser zumindest in zulässigen Grenzen liegt (zulässiger Leckverlust). Anwendungen sind zum Beispiel: Verhindern des Verlustes an Betriebsstoffen (z. B. Ölaustritt aus Lagern, Luft aus Pneumatikleitungen), Vermeidung des Eindringes von Verschmutzungen (z. B. in Lager), Verhinderung des Vermischens verschiedener Betriebsstoffe (z. B. von Lagerfett und Lauge in Waschmaschinen).
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

20. Zahnräder und Zahnradgetriebe (Grundlagen)

Zusammenfassung
Zahnradgetriebe bestehen aus einem oder mehreren Zahnradpaaren, die vollständig oder teilweise von einem Gehäuse umschlossen sind (geschlossene bzw. offene Getriebe). Sie zeichnen sich aus durch eine kompakte Bauweise und einen relativ hohen Wirkungsgrad. Nachteilig dagegen sind u. a. die durch den Formschluss bedingte starre Kraftübertragung (elastische Kupplung vorsehen) sowie die bei hohen Drehzahlen möglichen unerwünschten Schwingungen (u. a. durch bessere Verzahnungsqualität reduzierbar). Eine Übersicht der wichtigsten Getriebearten mit den typischen Merkmalen zeigt Bild 20–1.
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

21. Außenverzahnte Stirnräder

Zusammenfassung
Zur Herstellung der Evolventenverzahnung durch Abwälzen des Werkzeuges auf dem Wälzkreis sind die Grundgrößen nach DIN 867, DIN 868, DIN 3960 bzw. DIN 3998 entsprechend Bild 21–1 festgelegt.
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

22. Kegelräder und Kegelradgetriebe

Zusammenfassung
Kegelräder mit Gerad-, Schräg- und Bogenzähnen dienen zum Übertragen von Drehbewegungen und Drehmomenten in Wälzgetrieben mit sich schneidenden bzw. sich kreuzenden Achsen, s. Bilder 20–5 und 22–1.
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

23. Schraubrad- und Schneckengetriebe

Zusammenfassung
Schrägstirnräder mit verschiedenen Schrägungswinkeln (β1 ≠ β2) aber mit gleicher Teilung und gleichem Eingriffswinkel im Normalschnitt ergeben gepaart ein Schraubradgetriebe, sie werden zu Schraubrädern (s. Kapitel 20, Bild 20-6a). Die Radachsen kreuzen sich unter dem Winkel Σ (meist Σ= 90°). Dadurch findet neben dem Wälzgleiten noch ein Schraubgleiten der Zähne statt, d. h. die Zähne schieben sich wie bei einem Schraubengewinde aneinander vorbei. Bei Σ< 45° sollte ein Rad rechts- das andere linkssteigend, bei Σ> 45° müssen beide Räder gleichsinnig steigend verzahnt sein. Durch das Kreuzen der Räder berühren sich die Zahnflanken nur noch punktförmig wie die Zylinderflächen gekreuzter Reibräder.
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

24. Tribologie

Zusammenfassung
Bei der Dimensionierung von Maschinenelementen ist häufig die Forderung zu erfüllen, dass der Betriebszustand mit einem Minimum an reibungs- und verschleißbedingten Material- und Energieverlusten verbunden sein muss. Es gibt aber auch Anwendungen, wo eine verstärkte Reibung erwünscht ist, z. B. bei Bremsen und Reibradgetrieben. Zusätzlich wird ein möglichst störungsfreier Betrieb gefordert. Die damit zusammenhängenden, sehr komplexen Vorgänge werden im Fachgebiet Tribologie behandelt, welches wie folgt definiert werden kann: Tribologie ist die Wissenschaft und Technik von aufeinander einwirkenden Oberflächen in Relativbewegung. Sie umfasst das Gesamtgebiet von Reibung und Verschleiß, einschließlich Schmierung, und schließt entsprechende Grenzflächenwechselwirkungen sowohl zwischen Festkörpern als auch zwischen Festkörpern und Flüssigkeiten oder Gasen ein.
Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek

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