Bernd Kijnne. Kohler/Rognitz Maschinenteile 1

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1 Bernd Kijnne Kohler/Rognitz Maschinenteile 1

2 Bernd KiJnne Kohler/Rognitz Maschinenteile 1 10., uberarbeitete und aktualisierte Auflage Mit 551 Abbildungen, Tabellen und Diagrammen sowie zahlreichen Beispielrechnungen Teubner

3 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet uber < abrufbar. Ab der 9. Auflage herausgegeben und bearbeitet von Univ.-Prof. Dr.-lng. habil. Bernd Kunne, Fachgebiet Maschinenelemente, Universitat Dortmund. Ab der 4. Auflage herausgegeben und bearbeitet von Professor Dr.-lng. Joachim Pokorny, Universitat Gesamthochschule Paderborn, ehem. Oberbaudirektor, Leiter der Staatl. Ingenieurschule fur Maschinenwesen Soest. Unter Mitwirkung von Professor Dipl.-lng. Karl-Heinz Kuttner, Technische Fachhochschule Berlin, Professor Dipl.-lng. Erwin Lemke, Technische Fachhochschule Berlin, Professor Dipl.-lng. Gerhart Schreiner, Fachhochschule fur Technik, Mannheim, Professor Dipl.-lng. Udo Zelder, Universitat Gesamthochschule Paderborn, Professor Dipl.-lng. Lothar Hagele, Fachhochschule Aalen. Begrundet von Baudirektor Dipl.-lng. Gunter Kohler, Direktor der Staatl. Ingenieurschule Beuth, Berlin, und Oberbaurat Dr.-lng. Hans Rognitz, Staatl. Ingenieurschule Beuth, Berlin. 1. Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage , uberarbeitete und aktualisierte Auflage April 2007 Alle Rechte vorbehalten B.G.Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2007 Der B.G. Teubner Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science-i-Business Media. Das Werk einschlieblich aller seiner Telle ist urheberrechtlich geschutzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulassig und strafbar. Das gilt insbesondere fur Vervielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden durften. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Druck und buchbinderische Verarbeitung: Tesinska Tiskarna, Cesky Tesin Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Czech Republik ISBN

4 Vorwort In der heutigen Zeit werden an die Kenntnisse von Ingenieurinnen und Ingenieuren zahlreiche neue Anforderungen gestellt. So ist es neben den klassischen" Gebieten des Maschinenbaus erforderlich, umfangreiches Fachwissen auch in planerischen, organisatorischen und logistischen Bereichen zu besitzen. Dennoch kann auf die wesentlichen Inhalte der Grundlagenfacher nicht verzichtet werden. Vielmehr ist es notwendig, die Kenntnisse aus diesen Bereichen schnell, iibersichtlich und nachvollziehbar zur Verfiigung zu haben. Geeignete Fachbiicher konnen daher auch durch die neuen Medien nicht ersetzt werden. Das Buch Kohler/Rognitz Maschinenteile" steut ein traditionsreiches Werk auf dem Gebiet der Maschinenelemente dar, das in der Vergangenheit als wertvolle Hilfe nicht nur fiir Studierende, sondem auch fiir Konstrukteurinnen und Konstrukteure in der beruflichen Praxis diente. Nachdem die achte Auflage mittlerweile vergriffen war, steute sich die Aufgabe, die fur die neunte Auflage erforderlichen Anderungen und AktuaHsierungen vorzunehmen. Leider stand hierfiir Herr Professor Dr.-Ing. J. Pokomy, der sich in jahrzehntelanger mtihevoller Arbeit dieser Aufgabe gewidmet hatte, nicht mehr zur Verfiigung. Aus diesem Grunde erklarte ich mich bereit, als Herausgeber von der neunten Auflage an mitzuwirken und dadurch das Buch im Sinne des bisherigen Herausgebers und der Autoren weiterzuflihren. Auf diesem Wege entstand auch die vorliegende zehnte Auflage des Teils 1 Kohler/Rognitz Maschinenteile". Mit der Neuausgabe eines derartig renommierten Werkes geht die Schwierigkeit einher, Bewahrtes fortzuflihren und gleichzeitig die Inhalte und den Aufbau so an die geanderten Randbedingungen anzupassen, dass die Aktualitat der vermittelten Informationen erhalten bleibt. Um dieser Zielsetzung gerecht zu werden, wurden neben der inhaltlichen Uberarbeitung auch einige formale Anderungen durchgeflihrt. Als wichtigstes ist hierbei der seit der neunten Auflage erfolgte Verzicht auf den bisherigen Anhang in Form von Arbeitsblattem zu nennen; statt dessen erfolgte cine Einarbeitung der Inhalte in die entsprechenden Kapitel. Hierdurch konnte der gesamte Inhalt deutlich kompakter aufbereitet werden. Der inhaltliche Rahmen wurde ebenso wie die bisherige Untergliederung in zwei Teile beibehalten. Ein erheblicher Aktualisierungsbedarf bestand insbesondere bei verwendeten Normen. Gerade in diesem Bereich haben sich in den letzten Jahren starke Veranderungen durch die Anpassung an europaische und Internationale Standards ergeben. Der Stand der aufgenommenen Normen entspricht dem Zeitpunkt der Drucklegung. Das vorliegende Lehr- und Arbeitsbuch soil dem Leser die erforderlichen Kenntnisse iiber die wesentlichen Maschinenelemente vermitteln. Die Darstellung des Stoffes flihrt dabei von der Aufgabenstellung uber die Funktion, Berechnung und Gestaltung zu Losungsmoglichkeiten. Hierbei werden die erforderlichen Berechnungsgleichungen hergeleitet, die physikalischen Abhangigkeiten aufgezeigt und Problembereiche betrachtet.

5 4 Vorwort Im Teil 1 des Werks Kohler/Rognitz Maschinenteile" wird zunachst im Abschnitt 1 eine Einfiihrung in das Konstruieren und Gestalten von Maschinenteilen" vorgenommen, wobei auch die Themenbereiche Einfuhrung in die Konstruktionssystematik" und Technischwirtschaftliche Bewertung" behandelt werden. Hierauf basierend werden Gestaltungsregeln fur Gussteile dargestellt und an Gut-Schlecht-Beispielen verdeutlicht. Gestaltungsregeln fur die iibrigen Maschinenteile werden in den jeweiligen Abschnitten betrachtet. Das Unterkapitel Werkstoffe im Abschnitt 1 behandelt die wichtigsten Werkstoffarten und liefert die fiir die Berechnung erforderlichen Kennwerte. Der Abschnitt 2 beinhaltet die Grundlagen der Festigkeitsberechnung". Dieser Abschnitt soil keineswegs die einschlagige Fachliteratur und Lehrveranstaltungen auf dem betreffenden Gebiet ersetzen. Vielmehr sollen die wichtigsten Grundlagen in komprimierter Form so dargestellt werden, dass die ffir die Konstruktion erforderlichen Kenntnisse ztigig wiederholt werden konnen. Hierzu gehoren sowohl die im Bauteil vorhandenen Spannungen und die Festigkeitshypothesen als auch die Bestimmung der zulassigen Spannungen. Weiterhin wird das Ermitteln unbekannter Krafte und Momente dargestellt. In den nachfolgenden Abschnitten werden die Jewells erforderlichen Berechnungsformeln far die Auslegung und Nachrechnung der Maschinenteile wieder aufgegriffen. Im Abschnitt 3 werden Normen" behandelt, die fiir die Erstellung von Konstruktionen und insbesondere fiir deren Ausarbeitung hilfreich sein konnen. Hierzu gehoren die Normzahlen, die Oberflachenangaben sowie Toleranzen und Passungen. Die folgenden Abschnitte beinhalten die Themen Nietverbindungen", Stoffschltissige Verbindungen", Reib- und formschltissige Verbindungen", Schraubenverbindungen", Fedem", Rohrleitungen und Armaturen" und Dichtungen". Dabei werden die jeweiligen Maschinenteile zunachst beztiglich ihrer Aufgabe und ihrer Funktion betrachtet. Im Anschluss hieran erfolgt die Behandlung der wichtigsten Dimensionierungsregeln. Die meisten der Abschnitte enthalten zahlreiche Anwendungs- und Gestaltungsbeispiele, die dazu dienen sollen, Anregungen fur eigene Konstruktionen zu geben und Fehler zu vermeiden. Jedem Abschnitt ist eine Zusammenstellung der wichtigsten Normen vorangestellt; weitere Verweise auf Normen befinden sich innerhalb der Abschnitte. Hierdurch soil einerseits die Moglichkeit gegeben werden, ggf. fehlende Informationen aus den entsprechenden Normen zu entnehmen, und andererseits die inhaltliche Beschaftigung mit geltenden Normen angeregt werden. Empfehlenswert ist in diesem Zusammenhang das ebenfalls im B. G. Teubner Verlag erschienene Buch Klein: Einfiihrung in die DIN-Normen" sowie die Seite Es wurde versucht, die verwendeten Formelzeichen moglichst einheitlich zu gestalten. Dabei musste vereinzelt von den Bezeichnungen abgewichen werden, die in den betreffenden DIN- Normen genannt werden. Um eine bessere tjbersicht geben zu konnen, beinhaltet jeder Abschnitt eine Zusammenstellung der verwendeten Formelzeichen. Bei den angegebenen Gleichungen handelt es sich fast ausschlieblich um GroBengleichungen nach DIN 1313, in die die einzelnen physikalischen GroBen in beliebiger Einheit (SI-Einheiten oder abgeleitete SI- Einheiten) eingesetzt werden konnen. Oftmals ist zusatzlich eine sinnvolle Einheit far die einzelnen Werte angegeben, die jedoch lediglich zur besseren tjbersicht dienen soil. Nur an den Stellen, wo es unvermeidbar ist, werden auf bestimmte Einheiten zugeschnittene GroBen- bzw.

6 Vorwort 5 Zahlenwertgleichungen verwendet. Hier ist es unbedingt erforderlich, die GroBen in der angegebenen Einheit einzusetzen, um ein sinnvolles Ergebnis zu erhalten. Fiir die zehnte Auflage wurden zahlreiche Darstellungen neu erstellt bzw. verbessert; weiterhin wurden emeut alle wesentlichen Anpassungen an neue Normen vorgenommen. AbschlieBend mochte ich alien danken, die direkt oder indirekt zum Gelingen dieses Buches beigetragen haben. Hier sind zunachst die bisherigen Autoren und insbesondere der bisherige langjahrige Herausgeber, Herr Professor Dr.-Ing. J. Pokomy, der leider im Herbst 2003 verstorben ist, zu nennen. Mein Dank gebuhrt auch alien Mitarbeitem und studentischen Hilfskraften, die bei der Ausgestaltung mitgewirkt haben. Herm Dr. Martin Feuchte vom B. G. Teubner Verlag danke ich fiir die stete Unterstiitzung und Forderung des Werkes. Ich wtirde mich freuen, auch weiterhin Anregungen aus den Kreisen der Benutzer zu erhalten. Dortmund, im Februar 2007 Bemd Kiinne

7 Inhalt 1 Einfiihrung in das Konstruieren und Gestalten von Maschinenteilen 1.1 Allgemeine Gesichtspunkte fiir das Konstruieren Einfiihrung in die Konstruktionssystematik Technisch-wirtschaftliche Bewertung Grundlagen der Gestaltung 17 Literatur Werkstoffe 30 2 Grundlagen der Festigkeitsberechnung 2.1 Spannungszustand und Beanspruchungsarten Festigkeitshypothesen Grenzspannungen Ermitteln unbekannter Krafte und Momente (Freischneiden von Bauteilen) 81 Literatur 91 3 Normen 3.1 Normzahlen Toleranzen und Passungen Technische Oberflachen 110 Literatur Nietverbindungen 4.1 Werkstoffe mr Bauteile und Niete Herstellung von Nietverbindungen, Nietformen, Nahtform Setzkopf, Schaft, SchlieBkopf Waminietung Kaltnietung Nahtformen Berechnungsgrundlagen Berechnen von Nietverbindungen im Stahlbau Nietverbindungen im Leichtmetallbau 136 Literatur 140

8 Inhalt 7 5 Stoffschliissige Verbindungen 5.1 SchweiBverbindungen Technologie des SchweiBens Bezeichnung von SchweiBnahten Gestalten von SchweiBteilen Nennspannungen Zulassige Spannungen und Spannungsnachweis Berechnungsbeispiele 188 Literatur Lotverbindungen Technologie des Lotens Berechnen und Gestalten 204 Literatur Klebverbindungen Klebstoffe und Verfahren Berechnen und Gestalten 212 Literatur Reib- und formschliissige Verbindungen 6.1 Reibschltissige Verbindungen Reibungsschluss Klemmverbindung Kegelverbindung Spannverbindung Pressverbindung Gestalten und Fertigen Keilverbindung 254 Literatur Formschliissige Verbindungen Sicherungen gegen axiales Verschieben Passfederverbindungen Profilwellenverbindungen Bolzen- und Stiftverbindungen 274 Literatur Schraubenverbindungen 7.1 Allgemeines Gewindenormen Gewindetolerierung Schraubenwerkstoffe Schrauben- und Muttemarten 291

9 Inhalt 7.2 Krafte in der Schraubenverbindung Krafle im Gewinde Anziehdrehmoment Verspannungsschaubild Elastische Nachgiebigkeit Krafteinleitung Setzen der Schraubenverbindung Selbsttatiges Losen Berechnen von Schrauben Bemessungsgmndlagen Rechnungsgang Berechnen im Stahlbau Berechnen im Druckbehalterbau Bewegungsschrauben Ausfiihrungen von Schraubenverbindungen Gestaltung von Gewindeteilen Gestaltung von Schraubenverbindungen Berechnungsbeispiele 334 Literatur 343 Federn 8.1 Allgemeine Berechnungsgrundlagen Bemessen und Gestalten der verschiedenen Bauformen Metallfedem Gummifedem Gasfedem Allgemeine Grundlagen Ausfflhrungsformen 387 Literatur 390 Rohrleitungen und Armaturen 9.1 Aufgabe und Darstellung von Rohrleitungen Rohre Berechnen von Rohrleitungen Rohmormen Berechnungsbeispiel Rohrverbindungen SchweiBverbindung Schraubverbindung fiir Gewinderohre Muffenverbindung 410

10 Inhalt Flanschverbindung Verschraubung Rohrleitungsschalter (Armaturen) Hahn Ventil Schieber Klappe 419 Literatur Dichtungen 10.1 Aufgaben und Einteilung Dichtungen an ruhenden Maschinenteilen Unlosbare undbedingt losbare Beruhmngsdichtungen Losbare Beruhmngsdichtungen Beruhmngsdichtungen an bewegten Maschinenteilen Packungen Selbsttatige Beruhmngsdichtungen Beriihmngsfreie Dichtungen Stromungsdichtungen Dichtungen mit Fltissigkeitsspermng Beriihmngsfreie Schutzdichtungen Membrandichtungen 458 Literatur 460 Sachverzeichnis 461

11 10 Hinweise fur die Benutzung des Werkes Hinweise fur die Benutzung des Werkes 1. Bei den angegebenen Formeln handelt es sich um GroBengleichungen (s. DIN 1313). In diesen Gleichungen bedeuten die Formelzeichen physikalische GroBen, also jeweils ein Produkt aus Zahlenwert (MaBzahl) und Einheit. Werden Zahlenwertgleichungen benutzt, wird hierauf gesondert hingewiesen. Die entsprechenden Gro Ben sind als Zahlenwerte einzusetzen, wobei die angegebenen Einheiten beriicksichtigt werden mussen. Am Ende der einzelnen Kapitel befindet sich jeweils eine Formelsammlung, der zur schnellen Orientierung iiber die Bedeutung eine Formelzeichenliste vorangestellt ist. 2. Angaben zum Intemationalen Einheitensystem und Umrechnungsbeziehungen: Masse: 1 kp s^/m = 9,81 kg Kraft: 1 N = 1 kg m/s^ 1 kp = 9,81 kg m/s^ = 9,81 N «10 N Die Gewichtskraft Fg, die auf den Korper der Masse m = \kg wirkt, betragt: Fg = w -g = 1 kg 9,81 m/s^ = 9,81 N Mechanische Spannung, Flachenpressung: 1 kp/mm^ = 9,81 N/mm^ Druck: 1 Pa = 1 N W = 1 10-^ bar 1 MPa = 1 N/mm^ = 1 MN/m^ = 10 bar «10 kp/cm^ 1 bar = 0,1 MPa = 0,1 N/mm^ lat=lkp/cm^ = 9,81 lo^^t n^-0,981 bar«1 bar Arbeit: 1 J = lnm=l Ws 1 kcal = 427 kpm-4186,8 J lkpm = 9,81Nm«10Nm Leistung: 1 W = 1 J/s = 1 Nm/s 1 kpm/s = 9,81 J/s 9,81 W 1 PS = 75 kpm/s «736 W 1 kw = 1,36 PS Tragheitsmoment: Magnetische Flussdichte: Dynamische Viskositat: Kinematische Viskositat: 1 kpm s^ = 9,81 Nm s^ = 9,81 kg m^ 1 T (Tesla) = 1 VsW = 1 Nm/(m^-A) 1 Pa s = 1 Ns/m^ 1 kg/(m-s) = 10^ cp (Centipoise) lm^/s=lpasmvkg=10'^ St=10^cSt(Centistokes) 3. Hinweise auf DIN-Normen in diesem Werk entsprechen dem Stand der Normung bei Abschluss des Manuskriptes. MaBgebend sind die jeweils neuesten Ausgaben der Normblatter des DIN Deutsches Institut far Normung e.v., die durch die Beuth-Verlag GmbH, Berlin und Koln, zu beziehen sind. SinngemaB gilt das Gleiche fur alle in diesem Buch erwahnten amtlichen Bestimmungen, Richtlinien, Verordnungen usw. 4. Bilder und Gleichungen sind abschnittsweise nummeriert. Es bedeuten z. B.: a) Bild 6.1 das 1. Bild im Abschn. 6 (Abschn.-Nr. und Bild-Nr. fett), Hinweis im Buchtext (6.1) b) Gleichung (6.2) die 2. Gleichung im Abschn. 6 - (Abschn.-Nr. und Gl.-Nr. mager), Hinweise im Text Gl. (6.2) Griechisches Alphabet (DIN ISO ) a Alpha H 71 e Eta h Beta 3 th Theta g Gamma I I j Jota d Delta K K k Kappa e Epsilon A X / Lambda z Zeta M ju m Mil A a B p r r A 5 E Zf A^ V ^ ^ O o n 71 p p I a n Nii X Ksi o Omikron p Pi r Rho s Sigma T T Y V 0 (p X X "F y/ Q CO t u ph Phi ch Chi Tau Ypsilon ps Psi o Omega