Vorlesung Stift- und Bolzenverbindungen

Transkript

1 Vorlesung Stift- und Bolzenverbindungen Übersicht Ausführungen und Anwendung Sicherungselemente Tragfähigkeit 1

2 Gliederung 1. Einführung 2. Stiftverbindungen 3. Bolzenverbindungen 4. Dimensionierung und Festigkeitsnachweis 5. Berechnungsbeispiel 2

3 Lernziele Funktion und Wirkungsweise von Stift- und Bolzenbauarten kennenlernen Hinweise zur zweckmäßigen Gestaltung Stift- und Bolzenverbindungen sowie deren Sicherung erfahren Dimensionierung und Festigkeitsnachweis für Bolzenund Stiftverbindungen beherrschen 3

4 5.1 Einführung 4

5 5.2 Stiftverbindungen Hauptfunktionen: 5

6 5.2 Stiftverbindungen Anwendungsbeispiele zur formschlüssigen Kraftübertragung : a) b) c) d) 6

7 5.2 Stiftverbindungen Anwendungsbeispiele für Kerbstifte: 7

8 5.2 Stiftverbindungen Ausführungen Genormte Zylinderstifte: Maßblätter in Lehrmaterial Normteile N3 8

9 5.2 Stiftverbindungen Ausführungshinweise 9

10 5.2 Stiftverbindungen Ausführungen Genormte Kegelstifte: Maßblätter in Lehrmaterial Normteile N3 10

11 5.2 Stiftverbindungen Ausführungen Genormte Spann- und Spiralspannstifte (Spannhülsen): Maßblätter in Lehrmaterial Normteile N3 Stehlagerbefestigung mittels Spannhülsen 11

12 5.2 Stiftverbindungen Ausführungen Genormte Kerbstifte und Kerbnägel: Maßblätter in Lehrmaterial Normteile N3 12

13 5.2 Stiftverbindungen Ausführungen Eignung von Siftverbindungen: Zylinderstift Kegelstift Spannstift glatt gekerbt einfach spiral Hohe Lagegenauigkeit Hohe Abscherkraft Festsitz bei dynamischer Belastung Lagegenauigkeit und Festsitz bei wiederholtem Fügen Kostengünstig (weite Bohrungstoleranz) Bewertung: 1= sehr gut bis 5 = überhaupt nicht geeignet 13

14 5.3 Bolzenverbindungen - Hauptfunktionen Wälzgelagertes Laufrad (Bolzen als Achse) Gelenkverbindung 14

15 5.3 Bolzenverbindungen Ausführungshinweise axial: durch Bund oder Absatz als Bolzen mit Kopf (teuer) Bolzen ohne Kopf mit Sicherungselement (Splint, Sicherungsring) torsional: Formelement, z.b. Abflachung am Bund Presssitz Beispiel für eine schnell zu lösende Gelenk- Bolzenverbindung 15

16 5.3 Bolzenverbindungen Genormte Bolzenformen: Abmessungen Lehrmaterial Normteile Abschnitt 3 16

17 5.3 Bolzenverbindungen Genormte Spannbuchsen nach DIN 1498 und DIN 1499 u.a. auch für Lagerungen: 17

18 5.3 Bolzenverbindungen Beispiele für Bolzensicherungen: Verschiebesicherung mit Sicherungsring bzw. Sicherungsscheibe für Wellen Verliersicherung mit Splint bzw. Federstecker 18

19 5.3 Bolzenverbindungen Sicherungselemente: 19

20 5.4 Dimensionierung und Festigkeitsnachweis Die tatsächlich auftretenden örtlichen Beanspruchungen sind nur sehr aufwändig zu bestimmen. Durch das Einschlagen/Einpressen unter Übermaß werden Stifte und Bauteile vorgespannt. Diesen Vorspannungen überlagern sich die durch äußere Kräfte aufgeprägten Spannungen. Bei der Beanspruchung der Gelenkbauteile sind die höheren Spannungen infolge Übermaß zu berücksichtigen. Die Gleitbewegung bei der Bolzenverbindung bedingt eine entsprechend niedrigere zulässige Flächenpressung. Bei Vollstiften und Bolzen rechnet man mit Nennspannungen aus den äußeren Belastungen, die man mit Erfahrungswerten für die zulässigen Spannungen vergleicht. Die vernachlässigten Vorspannungen und örtlichen Kerbspannungen finden bei der Höhe der zulässigen Spannungen Berücksichtigung. Für Spannstifte ist nachzuweisen, dass die auftretenden Querkräfte kleiner als die in den betreffenden Normen angegebenen zulässigen Scherkräfte sind. Die Flächenpressungen sind ebenso wie bei Vollstiften zu überprüfen, da die zulässigen Werte durch die Bauteilwerkstoffe bedingt sind. Eine Dimensionierung kann mit den umgestellten Gleichungen für die Beanspruchungen erfolgen. Es ist dann die nächst größere genormte Ausführung zu wählen. 20

21 5.4 Dimensionierung und Festigkeitsnachweis typische Beanspruchung in einer Stift- oder Bolzenverbindung: Pressung: Berührungsflächen sind Zylindermantelflächen, unter Annahme einer gleichmäßigen Pressungsverteilung Lochleibungsdruck p = F d b p zul Biegung: allgemeiner Zusammenhang σ b = M b = M b π σ W b 32 d3 bzul Abscherung: allgemeiner Zusammenhang τ s = F A = F π 4 d2 τ zul Formeln für spezielle Fälle auf folgenden Seiten 21

22 5.4 Dimensionierung und Festigkeitsnachweis Stift unter Biegebeanspruchung: σ b = M b W b = 32 F l π d 3 σ bzul τ s = F A = 4 F π d 2 τ zul p max = p b + p d = F l s d s p zul 22

23 5.4 Dimensionierung und Festigkeitsnachweis Querstift unter Drehmomentbeanspruchung: Schubspannung Pressung Welle Pressung Nabe 23

24 5.4 Dimensionierung und Festigkeitsnachweis Längsstift unter Drehmomentbeanspruchung: Schubspannung τ s = 2 M t D d l τ zul Pressung p max = 4 M t D d l p zul mit M t Drehmoment l Stiftlänge 24

25 5.4 Dimensionierung und Festigkeitsnachweis querbelastete Bolzenverbindung, zweischnittig: Biegespannung M b abhängig von Passung auf nächster Folie Schubspannung zweischnittig Pressung Gabel Pressung Stange 25

26 5.4 Dimensionierung und Festigkeitsnachweis querbelastete Bolzenverbindung, zweischnittig Biegemoment je nach Passung Gabel: Spielpassung Stange: Spielpassung Gabel: Presspassung Stange: Spielpassung Gabel: Spielpassung Stange: Presspassung 26

27 5.4 Dimensionierung und Festigkeitsnachweis Beanspruchbarkeit: Biegespannung σ bzul = σ bzul,r C d C k Schubspannung τ szul = τ szul,r C d C k Pressung p zul = p zul,r C d C kp Faktoren: Dynamikfaktor C d : ruhende Beanspruchung schwellende Beanspruchung wechselnde Beanspruchung Minderungsfaktor C K Biegung und Schub gleichzeitig Pressung bei Kerbstiften (C kp ) 27

28 5.4 Dimensionierung und Festigkeitsnachweis zulässige Werte (Referenzwerte): zulässige Pressung Bauteilwerkstoff GJL GS S235 E295 E355 E360 p zul,r Schub- und Biegespannungspannung Zugfestigkeit R m von Stift bzw. Bolzen σ bzul,r τ szul,r zul. Pressung bei Relativbewegung, geschmiert Bolzen aus Stahl alle Werte in MPa Bauteilwerkstoff GJL GS Bronze Stahl gehärtet p zul

29 Zusammenfassung Stifte dienen der Übertragung von Querkräften und zur Lagesicherung. Bolzen übertragen Querkräfte in Gelenken. Dimensionierung und Festigkeitsnachweis für Bolzen- und Stiftverbindungen erfolgt für Biegung, Schub und Pressung unter stark vereinfachenden Annahmen 29

30 Beispiele: Beispiel 1: Steckstift unter Biegekraft Gegeben: Kerbstift aus E295 mit R m = 490 MPa, Stiftdurchmesser d = 13 mm, Kraftanfriffspunkt l = 12 mm, Platte aus GS, 18 mm stark, Kraft F = 1000 N schwellend. Beispiel 2: Querbolzen in Zugstange Gegeben: Bolzen aus E360 (R m = 690 MPa) mit d = 20 mm, Stange und Gabel aus E295, Lagerbuchse Bronze, Gabelbreite 12 mm, Stangenbreite 32 mm, Gabel/Bolzen: Presspassung, Stange/Bolzen: Spielpassung Zugkraft F = 5200 N schwellend, 30