LÖSBARE VERBINDUNGEN...-

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1 1 LÖSBARE VERBINDUNGEN SCHRAUBEN Allgemein Gewinde Das Verspannungsschaubild Bewegungsschrauben (Spindel) WELLE- NABE-VERBINDUNGEN Formschlüssige Verbindungen Kraftschlüssige Verbindungen vorgespannte Formschlussverbindungen (Kombination aus form- und kraftschlüssig) NICHT-LÖSBARE VERBINDUNGEN STOFFSCHLÜSSIG Schweißen Löten Kleben Begriffe FEDERN FEDERKENNLINIE DIE FEDERRATE ZUSAMMENWIRKEN MEHRERER FEDERN SCHRAUBENFEDERN TELLERFEDERN SCHRAUBENDREHFEDERN STABFEDERN ALS DREHFEDERN (TORSIONSSTÄBE) SPIRALFEDERN BLATTFEDERN RINGFEDERN GUMMIFEDERN ACHSEN UND WELLEN REIBUNG, SELBSTHEMMUNG, SCHMIERUNG REIBUNG Allgemein Reibungsarten Reibungszustände (Unterscheidung nach dem Kontaktzustand) SELBSTHEMMUNG SCHMIERUNG Allgemein Schmierstoffe Dynamische und kinematische Viskosität LAGER ALLGEMEIN WÄLZPAARUNGEN WÄLZLAGER Radiallager Axiallager Lagerauf- und Einbau Kräfte im Lager Lagerbauarten Lageranordnung! Schmierung GLEITLAGER Hydrostatisch geschmierte Lager Hydrodynamisch geschmierte Lager LAGER- UND WELLENDICHTUNGEN SCHLEIFENDE DICHTUNGEN

2 7.2 BERÜHRUNGSFREIE DICHTUNGEN

3 1 Lösbare Verbindungen 1.1 Schrauben Allgemein Je nach Verwendungszweck unterscheidet man: Befestigungsschrauben für lösbare Verbindungen; zerstörungsfrei lösen und abermals verbinden (am weitesten verbreitete Schraube) Dichtungsschrauben (Ölablassschraube); zum Verschließen von z.b. Einfüllöffnungen bei Getrieben, Lagern, Spannschrauben zur Erzeugung von Vorspannung (auch die Dehnschrauben ) Stellschrauben; zum Einstellen von Spiel und Verschleiß (Lager, Ventile, ), zum Ausrichten von Maschinen, Geräten und Instrumenten Messschrauben für kleinste Wege (Mikrometerschraube) Schnecke; zur Erzeugung großer Längskräfte durch kleine Umfangskräfte (Schraubstock) Spindel; zur Umsetzung von Drehbewegung in Längsbewegung (Spindelpresse, Leitspindel bei Drehbänken, Weinpresse) Zur Umsetzung von Längsbewegung in Drehbewegung (Drillbohrer) Als Differenzschraube zur Erzielung kleinster Wege bei großen Gewinden Grundnorm für Gewindeprofile, Schrauben, Muttern und deren Zubehör DIN 202 und 2244 Schrauben werden in unterschiedliche Produktklassen eingeteilt: fein mittel grob Die Produktklassen unterschieden sich in der Oberflächenbeschaffenheit, der Maß- und Formgenauigkeit. Ein weiteres Unterscheidungskriterium ist die Festigkeitsklasse. Die verschiedenen Klassen definieren Mindestwerte für Zugfestigkeit und Streckgrenze. Schrauben werden eingedreht mit der Hand Schraubendrehern Schraubenschlüsseln Spezialschlüsseln (unbefugtes Öffnen erschweren oder dienen der besseren Kraftübertragung Ribe-TORX System) Nachteile der Schraube: Anzugsmoment st normalerweise unbekannt Ob und wie stark die Schraubenverbindung vorgespannt ist, ist normalerweise unbekannt Bei dynamischer Beanspruchung (Schwingungen, Vibrationen, stoßartiges Beund Entlasten) ist Sicherung gegen Losdrehen erforderlich. Vorteile der Schraube: verschiedenartige Werkstoffe können miteinander verbunden werden (Sandwichbauweise) Schraubensicherungen: Man unterscheidet kraft- und formschlüssige Sicherungen: - 3 -

4 Formschlüssige Sicherung (gegen Losdrehen und Verlieren): Die Schraube wird durch mechanische Hilfsmittel daran gehindert, sich zu bewegen (Splint, Sicherungsblech). Kraftschlüssige Verbindung (gegen Lösen): Durch den Einbau federnder Elemente werden zusätzliche Längskräfte aufgebracht oder durch gezähnte Unterlegscheiben (auch formschluß Effekte)die Reibung zwischen Kopf und Bauteil erhöht (Federringe, Federscheiben, Spannscheibe, Sicherungsmutter ). Kleber auf Kunstharzbasis mit definierter Klebkraft (Stoffschluss) Gewinde Gewindeformen: Metrische ISO Gewinde nach DIN 13 (am häufigsten verwendete Gewinde) Weitere, häufig genutzte Gewindeformen sind: (Whitworth-)Rohrgewinde: für nicht im Gewinde dichtende Rohrverbindungen, d.h. nur zur Verbindung dienend! Rundgewinde: großes Kopf- und Fußspiel, werden daher für Einsatzfälle mit großer Verschmutzung gewählt Trapez- und Sägezahngewinde (für Bewegungsschrauben s. Kap ) Sägezahngewinde: bei hohen einseitigen Belastungen Trapezgewinde: bei wechselnden Belastungsrichtungen a) metrisches Gewinde b) metrisches Feingewinde c) Whitworth-Rohrgewinde d) Trapezgewinde e) Sägezahngewinde f) Rundgewinde - 4 -

5 1.1.3 Das Verspannungsschaubild Durch die Schraubenkraft F V werden die zu verbindenden Teile um den Betrag f P zusammengedrückt und die Schraube um den Betrag f S verlängert. Eine zusätzlich angreifende Betriebskraft F A verlängert die Schraube um den Betrag f SA und entspannt die zu verbindenden Teile um den Betrag f PA. Damit kein Spalt (Lösen bzw. Klaffen) zwischen den zu verbindenden Teilen entsteht, muss die Schraube mindestens mit der Kraft F V = F PA = (1 - Φ) F A vorgespannt werden Bewegungsschrauben (Spindel) Schrauben zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung nennt man Spindel. Konstruktiv gibt es zwei Möglichkeiten: Die Spindel ist an beiden Enden gelagert und durch die Drehbewegung der Spindel bewegt sich die Mutter auf der Spindel (ohne sich zu drehen) Die Mutter steht fest und die Spindel führt durch die Drehung eine Längsbewegung aus Nachteil dieser Konstruktionen: hohe Reibung zwischen Spindel und Mutter Die Vorschubgeschwindigkeit hängt neben der Drehzahl primär von der Gewindesteigung ab. Selbsthemmung (bei Befestigungsschrauben zwingend erforderlich) bei Bewegungsschrauben nur in Einzelfällen erwünscht. Da sich im Betrieb die Flanken abnutzen sind gute Gleitverhältnisse (Schmierung, Materialpaarung etc.) erforderlich. Die Belastung setzt sich zusammen aus Zug- und/oder Druckspannung. Bei lagen Druckspindeln ist außerdem ein Nachweis auf Knicksicherheit erforderlich

6 1.2 Welle- Nabe-Verbindungen Unterscheidung Achsen und Wellen: Achsen: dienen nur zur Lagerung umlaufender, schwingender oder ruhender Maschinenteile werden auf Biegung beansprucht übertragen kein Drehmoment Wellen: laufen immer um dienen zur Übertragung von Drehmomenten werden auf Torsion oder Biegung und Torsion beansprucht Welle- Nabe-Verbindungen Möglichkeiten auf Wellen rotationssymmetrisch Bauteile zu befestigen. Nabe Teil des Rades, das mit der Welle verbunden werden soll Die verschiedenen Nabenverbindungsmöglichkeiten (üblicherweise lösbar) unterteilt man in: formschlüssige Verbindungen kraftschlüssige Verbindungen vorgespannte Formschlussverbindungen (Kombination aus form- und kraftschlüssig) Formschlüssige Verbindungen Passfeder: Die Passfeder wird in eine in die Welle gefräste Nut eingesetzt bzw. -gelegt. Die Nabe, ebenfalls versehen mit einer Nut, wird aufgeschoben. Die Passfeder trägt nur über die Flächenpressung an den Seitenflächen und wird daher nur auf Flächenpressung bzw. Länge ausgelegt. Eine Passfeder sollte nur bei einseitigem Drehmoment eingesetzt werden, d.h. kein Drehrichtungswechsel (sonst besteht die Gefahr, dass die Passfeder ausschlägt). Bauartbedingt kann man Naben auf der Passfeder hin- und herschieben, wenn genügend Kopfspiel vorhanden ist und die Passungen entsprechend gewählt werden. Vorteil dieser Verbindung: Zwischen Welle und Nabe besteht keine/kaum konstruktions- bzw. funktionsbedingte Exzentrizität (=Abweichung vom Mittelpunkt oder von der Symmetrie). Keilwellen: Keilwellen eignen sich für große Drehmomente und stoßartige Belastungen. Im Prinzip wirkt jeder dieser Keile wie eine Passfeder. Ebenso wie die Passfeder ist die Keilwelle sehr geeignet für alle Räder, die längs verschiebbar sein sollen. Zentrierung Innen: kein Spiel zwischen Welle und Nabe, sehr genau. Zentrierung über Flanken: Spiel zwischen Bohrungs- und Wellendurchmesser, für Stoßbelastungen besonders geeignet! - 6 -

7 Zahnwellenverbindungen: Stellt man sich die Keile der Keilwelle kleiner vor, dicht und gleichmäßig über den Umfang verteilt, so erhält man eine Zahnwelle. Durch die große Zahl von tragenden Flanken sind diese Verbindungen Für große, auch stoßweise auftretende Momente geeignet. Die Zentrierung erfolgt über die Flanken. Stirnzahnverbindungen (Hirth-Verzahnug): Statt wie bei der Keilwellen- oder Zahnwellenverbindung die Verzahnung radial angebracht wird, wird bei der Stirnzahnverbindung diese axial angebracht. Diese Verbindung wird ausschließlich mit einem dreieckigen Zahnprofil ausgeführt. Welle und Nabe erhalten dem gleichen Profil. Polygonwellenverbindung: Bei den Polygonverbindungen werden ähnlich wie bei den Ribe-TORX System Kräfte nicht über Linienberührung, sondern durch Flächenberührung übertragen. Da die Polygone glatte Oberflächen besitzen, findet keine Schwächung durch Kerbwirkung statt. Eine genaue Zentrierung kann garantiert werden Kraftschlüssige Verbindungen Kegelverbindungen Bei der Kegelverbindung wird ein Außenkegel in einen Innenkegel eingeschoben und beide gegeneinander verspannt (mittels einer Schraube oder eines Flansches). Spannelemente: Ein Ring(kegel)-spannelement besteht aus zwei kegeligen Ringen, die ineinander geschoben und gegeneinander verspannt werden. Durch die axiale Kraft wird der Außenring gedehnt und der Innenring gestaucht. Durch die Stauchung verschwindet der Spalt zwischen Welle und Ring und der Innenring wird auf die Welle geklemmt. Durch die Dehnung geschieht entsprechendes zwischen Außenring und Nabe

8 Ringspann-Sternscheibe Wird ähnlich wie eine Tellerfeder eingebaut und ggf. verspannt. Klemmverbindungen: Bei der Klemmverbindung wird die nötige Anpresskraft beim Klemmen der Nabe auf die Welle durch Schraubenkraft aufgebracht. Hierbei ist die Nabe entweder geschlitzt oder geteilt. Die Höhe der Pressung hängt von einer Reihe von Parametern ab: Oberflächenrauhigkeit Werkstoffpaarung Vorspannung Setzung Werden meist zur Übertragung kleiner und stoßfreier Drehmomente eingesetzt. Ihr großer Vorteil: gute Einstellmöglichkeit (in gelösten Zustand axial und radial frei verschiebbar) vorgespannte Formschlussverbindungen (Kombination aus form- und kraftschlüssig) Längskeilverbindungen: Längskeile sitzen unter Vorspannung in mindestens einer Nut und stellen somit eine Kombination aus formschlüssiger (Nut) und kraftschlüssiger (Reibung über die Vorspannung) Well-Nabe-Verbindung dar. Eine fest -gekeilte Nabe lässt sich auf der Nabe nicht verschieben. Durch das Verkeilen wird die Nabe gedehnt und die Welle gestaucht. Dadurch entsteht eine konstruktionsbedingte Exzentrizität, da die Mittelpunktslage von Welle und Nabe nicht mehr übereinstimmen ( keine hohen Umdrehungen)

9 2 Nicht-lösbare Verbindungen Einteilung nach Übertragungsmechanismen: Stoffschlüssig Formschlüssig Kraftschlüssig 2.1 Stoffschlüssig Schweißen Kleben, Löten, Schweißen, Nieten Verzahnen, Keil/Feder Pressen, Klemmen = Verbinden artgleicher Werkstoffe unter Anwendung von Wärme mit oder ohne Zusatzstoff (Schweißzusatz).»Die Schmelztemperatur der Grundwerkstoffe wird erreicht! «Neben dem Schmelzschweißen gibt es noch: Pressschweißen Reibschweißen Buckelschweißen Punktschweißen Beim Schmelzschweißen werden die zu verbindenden Teile lokal zum Schmelzen und mit oder ohne Zusatz zum Ineinanderlaufen gebracht. Es sind zwei Hauptverfahren zu nennen: Gas- und Lichtbogenschweißen, beides mit oder ohne Schutzgas! Wegen der hohen Temperaturen ist eine anschließende Wärmebehandlung fast immer von Bedeutung (z.b. glühen oder vergüten). Stähle können generell besser verschweißt werden, wenn sie kohlenstoffarm sind. Leichtmetalle, z.b. Aluminium und Magnesium lassen sich schlecht schweißen, da sie sehr schnell oxidieren (bis hin zum verbrennen). Neben dem Konstruktions-/Verbindungsschweißen, werden noch verwendet: Reparaturschweißen (bei Rissen und Brüchen) Auftragsschweißen (Plattierung und Panzerung von preisgünstigen Grundmaterialien) Brennschneiden Fast alle Schweißverfahren können hoch automatisiert werden!»grauguss kann nicht geschweißt werden! «Nahtarten und formen Stumpfnähte: V-Nähte, Doppel- V- Nähte Kehlnähte: einfache Kehlnaht, doppelte Kehlnaht, Doppelt-HY-Naht sonstige Nähte - 9 -

10 Die Stelle, an der die Schweißnaht zwei Bauteile vereinigt, nennt man den Schweißstoß. Man unterscheidet: Stumpfstoß : die Teile liegen in einer Ebene und stoßen stumpf gegeneinander Parallelstoß : die Teile liegen parallel aufeinander Überlappstoß : die Teile liegen parallel aufeinander und überlappen sich T-Stoß : die Teile stoßen rechtwinklig aufeinander Doppel- T-Stoß : zwei in einer Ebene liegende Teile stoßen rechtwinklig auf ein drittes Schrägstoß : ein Teil stößt schräg gegen ein anderes Eckstoß : zwei Teile stoßen unter beliebigen Winkel aneinander Mehrfachstoß : drei oder mehr Teile stoßen unter beliebigen Winkel aneinander Kreuzungsstoß : zwei Teile liegen sich kreuzend übereinander Zu beachten:»kraftumlenkung in der Schweißzone vermeiden»zugbeanspruchung der Natwurzel vermeiden»keine Nahthäufung»möglichst geringes Nahtvolumen»Halbzeuge bevorzugen»teure Vorarbeiten vermeiden»fertigbearbeitung erst nach den Schweißvorgängen»auf Zugänglichkeit der Nähte achten (Überkopfnähte vermeiden) Löten Beim Löten werden Teile durch Hinzufügen (Aufschmelzen) eines Lots zusammengefügt.»die Schmelztemperatur der Grundwerkstoffe wird dabei nicht erreicht! «Reinigung der Oberfläche im Lötbereich gegen Fette und Oxidüberzüge mit Flussmittel (Paste, Pulver oder Flüssigkeit). Flussmittel wirken jedoch korrosiv und müssen nach dem löten entfernt werden. Lötstellen sollen so konstruiert werden, dass sie auf Scherung beansprucht werden. Wir unterscheiden: Weichlöten (Schmelztemperatur des Lotes < 450 C) Hartlöten (Schmelztemperatur des Lotes C) Hochtemperaturlöten (Schmelztemperatur des Lotes > 900 C) Unterscheidung nach dem konstruktiven Aufbau der Lötstelle:

11 Spaltlöten (Spalt nicht über 0,25 mm) Fugenlöten (Fuge > 0,5 mm, füllt sich unter Einwirkung der Schwerkraft) Vorteile:»Verschiedene Metalle lassen sich verbinden»oberflächenschutzschichten werden nicht oder kaum angegriffen»keine Schwächung des Bauteils durch Löcher (Schrauben, Nieten)»kein/kaum Verzug»gute elektrische Leitfähigkeit der Lötstelle»kann stark automatisiert werden Nachteile:»Lot ist teuer»elektrochemische Spannungsreihe ist zu beachten (Vorsicht bei Aluminium)»geringere Festigkeit als beim einer Schweißverbindung Arbeitsschritte beim Löten:»Reinigen der Lötstelle»Positionieren der zu verbindenden Teile»Erwärmen der Lötstelle und des Lotes auf Verarbeitungstemperatur. Zugabe von Flussmittel»Langsam abkühlen lassen»falls nötig, Nachbehandlung der Lötstelle»Qualitätsprüfung Kleben Kleben ist ein Fügeverfahren zur Herstellung von Verbindungen gleicher oder unterschiedlicher metallischer und/oder nichtmetallischer Werkstoffe in den verschiedensten Formen und Abmessungen mit geeigneten Zusatzstoffen, den Klebstoffen. Vorteile einer Klebeverbindung:»verschiedenartige Werkstoffe können miteinander verbunden werden (Sandwichbauweise Nutzen spezifischer Eigenschaften)»kaum Wärmebeanspruchung, daher kein Verzug»keine Werkstoffbeeinflussung durch Oxidation, Aushärten, Ausglühen»keine Festigkeitsminderung der Grundmaterialien durch Querschnittsminderung (Löcher)»keine Festigkeitsminderung der Grundmaterialien durch Kerbwirkung»hohe Gewichtsersparnis Nachteile:»geringe Stoßfestigkeit»geringe Dauerfestigkeit, besonders bei hohen Temperaturen, Feuchtigkeit (Schutz mit Lacküberzug)»aufwendige Vorbreitung der Oberfläche»Kriechung bei Langzeitbelastung»Klebeverbindung benötigt Zeit zum aushärten»keine Zerstörungsfreien Prüfverfahren Eine entscheidende Größe für die Festigkeit einer Klebeverbindung ist die Größe der Klebefläche. Dabei sind möglichst Überlappungen anzustreben. Stumpfstöße sollten wegen zu kleiner Klebefläche nicht angewandt werden

12 Klebeverbindungen sollten nur auf Zug/Druck oder Scherung beansprucht werden. Biege und Schälbeanspruchung sind unbedingt zu vermeiden. Klebestellen, die Witterung, Feuchtigkeit oder chemischen Einflüssen ausgesetzt sind, sollten durch geeignete Lachüberzüge geschützt werden. Haftmechanismen: Bei Klebeverbindungen wirken an den Grenzen zwischen den Werkstoffen und dem Kleber Adhäsionskräfte, im Klebstoff Kohäsionskräfte. Bei der Verarbeitung muss der Klebstoff flüssig sein, also niedrigviskos, damit er die Oberfläche optimal benetzt und in die Oberflächenrauhigkeit eindringen kann. Während des Abbindens nehmen die Kohäsionskräfte und damit die Viskosität stark zu. Klebstoffarten: physikalische Klebstoffe Wirken nach dem Ablüften eines Lösungsmittels. Sie sind bei porösen Bauteilen geeignet, weil das Lösemittel so gut verdunsten kann (also nur bedingt für Glas/Folien oder Metall/Folien). Man unterscheidet Kontaktklebstoffe, Schmelzklebstoffe und Plastisole. chemische Klebstoffe Wirken durch eine chemische Reaktion, bei der aus niedermolekularen Verbindungen (Monomere) hochmolekulare Polymere entstehen. Die chemische Reaktion wird durch Katalysatoren, erhöhte Temperatur, erhöhte Luftfeuchte oder Luftsauerstoffentzug eingeleitet. Da beim Einsatz von Katalysatoren kein Lösemittel verdunsten muss, können auch undurchlässige (nicht-poröse) Materialien wie z.b. Glas verbunden werden, die Verklebung kann großflächig stattfinden. Man unterschiedet Polymerisationskleber (Reaktion mit Katalysator), Polyadditionskleber (Zwei-Komponenten werden unmittelbar vor dem Klebevorgang zusammengemischt) und Polykondensationskleber (Temperatur und Druck). spezielle Klebstoffe Sind anaerobe Klebstoffe, die ohne Luftsauerstoff aushärten (z.b. Loctite zur Schraubensicherung), Haftklebstoffe (Tesa, Post-It) und Klebstoffe ohne Lösemittel (das Polystyrol angreift) für Styropor. Gestaltung der Klebeverbindung: Je größer die Klebefläche, desto stabiler ist die Verbindung, deshalb sind Überlappungen zu bevorzugen. Stumpfstöße können nicht verklebt werden. Schäftungen haben den Vorteil eines ungestörten Kraftflusses. Klebeverbindungen sollten nur auf Zug/Druck oder Scherung beansprucht werden. Biege- und Schälbeanspruchung sind unbedingt zu vermeiden. Klebestellen sind durch Lacküberzüge vor Witterung zu schützten. Es kann sein, dass die Kohäsionskräfte im Klebstoff stärker sind als die Kohäsionskräfte im Werkstoff. Bei starker Beanspruchung reißt dann der Werkstoff und nicht die Verbindung. Reparaturklebungen sind durch Reinigung und Oberflächenvergrößerung genauso vorzubreiten wie neue Konstruktionen. Rissfortschritte sind durch Abbohren zu verhindern Begriffe Adhäsion = Verbindung Kohäsion = Halt

13 3 Federn Federn nutzen die Eigenschaft aller elastischer Körper: Unter äußerer Belastung verformen sie sich elastisch und geben die aufgenommene Arbeit beim Rückfedern wieder ab. Federn werden zur Arbeitsspeicherung (Uhrwerksfeder) Stoß- und Schwingungsdämpfung Kraftmessung (Waage) zum Ausgleich von Gewichten/Kräften als Rückholfeder eingesetzt. Je nach Beanspruchung wird unterschieden in Druck-, Zug-, Biege- und Drehfedern (Torsionsfedern) Nach Bauart unterscheidet man Schrauben-, Teller-, Blatt- und Stabfedern. 3.1 Federkennlinie Charakteristisch für eine Feder ist ihre Kennlinie. Dabei wird in einem rechtwinkligen Koordinatensystem die angreifende Kraft über dem Federweg bzw. über dem Drehwinkel (bei Torsionsfedern) aufgetragen(»abhängigkeit des Federweges von der Federkraft«). Federkennlinien können progressiv, linear oder degressiv sein. Progressiv: Die Kennlinie wird mit zunehmender Kraft steiler (Feder wird härter, Federweg pro Krafteinheit kleiner) Beispiel: Im Fahrzeugbau; ein Durchschlagen bei Überlastung wird verhindert. Linear: Der Federweg pro Krafteinheit ist über den gesamten Bereich konstant. Beispiel: Zylindrische Schraubenfedern Degressiv: Der Federweg pro Krafteinheit nimmt mit steigender Belastung zu. Beispiel: Gummi bei Zug, Tellerfedern spezieller Schichtung bzw. Beanspruchung/Ausbildung

14 3.2 Die Federrate Die Kraft/das Moment, die nötig ist um eine Feder um einen Millimeter zu spannen bzw. um ein Grad zu verdrehen, nennt man die Federrate. Konstante Federrate von Zug-, Druck- und Biegefedern Konstante Federrate von Drehfedern F R = s M R = α Nicht lineare Kennlinien können so nicht berechnet werden, weil die Federrate (Steigung der ΔF Kurve) von dem Federweg bzw. dem Drehwinkel abhängt. Hier gilt: Rmomentan =. Δ s Die Arbeit, die bei der Spannung einer Feder verrichtet wird, kann im Diagramm als die Fläche unter der Kennlinie abgelesen werden. Wird eine Feder zur Speicherung von Arbeit verwendet, ist Reibungsfreiheit erwünscht, ansonsten kann die Reibung auch bewusst eingesetzt werden, um dem System Energie durch Wärme zu entziehen. 3.3 Zusammenwirken mehrerer Federn Parallelschaltung Bei der Parallelschaltung wird die Kraft auf alle Federn gleich verteilt, alle Federn werden um den gleichen Betrag s verformt (s = konst.). Es gilt also: F = R1 s+ R2 s+... = ( R1+ R2 +...) s Rgesamt = R1+ R Reihenschaltung/Serienschaltung Werden Federn hintereinander (seriell) geschaltet, greift die äußere Kraft F an jeder Feder mit dem vollen Betrag an (folgt aus dem Prinzip actio = reactio ), der Weg verteilt sich auf die einzelnen Federn. Da Federn mit verschiedenen Federraten kombiniert werden können, verteilt sich der Weg nicht gleichmäßig auf die Federn! Es gilt also: F F 1 1 F sgesamt = s1+ s = = F = bzw. R1 R2 R1 R2 Rgesamt = R R R gesamt 1 2 Kombination: Durch die Kombination verschiedener Schaltungen können, insbesondere wenn man eine Anschlagbegrenzung einbaut, geknickte Kennlinien verwirklicht werden. Das bedeutet, man kann abhängig vom Federweg der Federung lineare Kennlinien verschiedener Steigung geben. Bei der Kombination von Reihen und Parallelschaltung ergibt sich: = + R R + R R + R gesamt ( ) ( )

15 3.4 Schraubenfedern Die Schraubenfeder als zylindrische Druck- und Zugfeder ist das am häufigsten eingesetzte Federelement. Bei der Druckfeder soll die Krafteinleitung möglicht axial erfolgen, um ein Kippen oder seitliches Ausknicken nicht zu begünstigen. Die durch die Federkraft F geleistete Arbeit wird als äußere Arbeit bezeichnet, die als Reaktion durch das Torsionsmoment T geleistete Arbeit als innere Arbeit. Beide sind gleich groß. 3.5 Tellerfedern Tellerfedern sind kegelförmige Ringschalen, die als Einzelfeder oder kombiniert zu Paketen oder Säulen axial belastet werden können. Sie werden besonders da eingesetzt, wo bei großen Kräften kleine Federwege verlangt bzw. nur zugelassen werden können. Tellerfern sind immer zu führen; bevorzug innen. Tellerfedern können nur als Druckfedern eingesetzt werden!!! Da die Randspannungen nicht linear mit dem Federweg wachsen, ist auch die Kennlinie keine Gerade» degressive Kennlinie (s. Kap. 3.1). 3.6 Schraubendrehfedern Das einfachste Beispiel für Schraubendrehfedern ist die Feder in der Wäscheklammer. Berechnet werden die Federn auf Biegung. Anwendung z.b. in der Deckelentlastung von Behältern und zur Rückholung von Hebeln. 3.7 Stabfedern als Drehfedern (Torsionsstäbe) Durch die Art der Federung sind nur kleine Wege bei großer Last möglich. Häufig im Automobilbau eingesetzt. Berechnung erfolgt auf Torsion. 3.8 Spiralfedern Sie werden im Allgemeinen als Archimedische Spirale, d.h. mit konstanten Windungsabständen, gewunden. Die bekannteste Anwendung ist als Arbeitsspeicher in Uhren. Sie sind i. a. weich. Die Federn können innen- und außenbetätigt sein. Eine der beiden Befestigungen der Federenden sollte beweglich sein, da sonst Bruchgefahr an den Einspannungen besteht. Ein Sonderfall stellen die Rollfedern dar; wie sie z.b. für die Sicherheitsgurte und Kabeltrommeln eingesetzt werden

16 3.9 Blattfedern Die einfachsten sind z.b. Andrückfedern für Schalter, Sperren etc. Die bekanntesten sind geschichtete Blattfedern im Automobil und Waggonbau. Sie sind immer mit Bügeln zu halten und weisen durch die Schichtung (Reibung!) Dämpfungseigenschaften auf. Für LKW und schwere Anhänger werden durch entsprechende Formgebung und Schichtung progressive Kennlinien erreicht (»Feder schlägt auch bei voller Belastung nicht durch s. Kap. 3.1). Eine Berechnung erfolgt auf Biegung Ringfedern Beanspruchung hauptsächlich auf Zug (Außenring) bzw. Druck (Innenring). Durch die hohe Reibung ist der Dämpfungseffekt groß. Anwendung z.b. im Eisenbahnpuffer und als Überlastfeder in schweren Pressen und Hämmern Gummifedern Herstellung aus Kautschuk und/oder Elastomeren. Gummi ist gestallts-, aber nicht volumenelastisch, also inkompressibel d.h. das Gummielement darf nicht komplett eingeschlossen werden (Ausdehnung beachten!). Gummi besitzt eine hohe innere Reibung, d.h. gute Dämpfungseigenschaften. Wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit wird die bei der Dämpfung entstehende Wärme nur langsam abgeführt. Anwendungsgebiete; als Lagerung von schwingenden Maschinen Gummi altert, d.h. er verliert seine Eigenschaften, versprödet, reißt, unter Einwirkung von Zug, Licht, Öl, Wärme, sehr schnell. Elastomere werden hart

17 4 Achsen und Wellen Achsen (Beanspruchung auf Biegung): Achsen tragen still stehende oder umlaufende Maschinenteile wie Zahnräder, Riemenscheiben, Trommeln o. ä. Sie selbst können still stehen oder mit dem Bauteil umlaufen. Die ruhende Achse, auf der sich ein gelagertes Teil dreht, ist statisch oder schwellend auf Biegung beansprucht und ist daher belastungsmäßig günstiger als die mit dem Bauteil umlaufende Achse, die wechselnd auf Biegung beansprucht wird. Die ruhende Achse kann also bei gleicher Abmessung höher belastet werden als die umlaufende Achse. Achsen übertragen kein Drehmoment, sondern werden nur auf Biegung beansprucht. Wellen (Beanspruchung auf Torsion und auf Biegung): Wellen laufen immer um und übertragen ein Drehmoment, das durch Kupplungen, Zahnräder und andere Arten von Trieben ein- bzw. weitergeleitet wird. Sie werden daher immer auf Torsion beansprucht. Durch Querkräfte kann die Welle zusätzlich auf Biegung beansprucht werden. Kegelräder oder schrägverzahnte Stirnräder erzeugen darüber hinaus eine axiale Belastung, die vom System Welle/Lager aufgenommen werden muss. Zapfen: Unter Zapfen werden die meist abgesetzten- Wellenenden, die zum Lagern der Welle dienen verstanden. Zapfen können zylindrisch, kegelig oder kugelförmig ausgebildet sein. 5 Reibung, Selbsthemmung, Schmierung 5.1 Reibung Allgemein Äußere Reibung: Widerstand in den Kontaktflächen zweier Körper Innere Reibung: Widerstand der Volumenelemente eines Körpers (fest/flüssig oder gasförmig) gegen die Relativbewegung innerhalb des Körpers Reibungsarten Haftreibung: Ist die Reibung im Ruhezustand, bei der die angreifende Kraft nicht in der Lage ist, eine Bewegung einzuleiten. Gleitreibung: Ist die Bewegungsreibung zwischen zwei sich flächig berührenden festen Körpern. Die Geschwindigkeiten der Körper in der Fläche können nach Richtung und Betrag unterschiedlich sein. Rollreibung: Ist die idealisierte Bewegungs-Reibung zwischen zwei sich punkt- oder linienförmig berührenden Körpern, wobei die Geschwindigkeit im Berührpunkt nach Betrag und Richtung gleich sind. Die Punkte der beiden Körper, die sich hintereinander berühren, bestimmen auf diesen Körpern gleiche Bogenlängen! Wälzreibung (Rollreibung + Gleitreibung): Ist eine Rollreibung mit überlagertem Stumpf, d.h. in den Berührpunkten sind die Geschwindigkeiten ungleich nach Betrag und Richtung. Die Punkte der beiden Körper, die sich nacheinander berühren bestimmen ungleiche Bogenlängen!

18 5.1.3 Reibungszustände (Unterscheidung nach dem Kontaktzustand) Festkörperreibung: Reibung zwischen zwei Festkörpern ohne Schmierung Flüssigkeitsreibung: Reibung in einem die Festkörper vollständig trennenden Film Mischreibung: Teils Festkörper-, teils Flüssigkeitsreibung 5.2 Selbsthemmung Von ihr wird immer dann gesprochen, wenn sich -wegen auftretender Reibung- 2 Körper nur unter Anwendung äußerer Kräfte gegeneinander bewegen lassen. Beispiele: ein Kegelzapfen, der mit einer Schraube in der Nabe festgezogen wurde, löst sich nur unter Anwendung von Kraft ein Klotz kommt auf einer leicht geneigten schiefen Ebene nicht ins gleiten eine Schraubenmutter dreht sich nicht von alleine los ein Keilriemen zieht sich in der Rille fest 5.3 Schmierung Allgemein Um die äußere Reibung zu minimieren, die in Lagern von Achsen und Wellen, an den Flanken von Bewegungsschrauben, Zahn- und Kettenrädern und dergleichen auftreten, sowie um den daraus resultierenden Verschleiß zu mindern oder sogar zu verhindern, verwendet man Schmierstoffe, um die Flächen der Körper nach Möglichkeit zu trennen. Schmierstoffe sollen:» die Gleitstellen benetzen (z.b. Zahnräder)» an den Werkstoffen haften» die Unebenheiten der Werkstoffpaarungen von einander trennen (z.b. Gleitlager)» selbst geringe innere Reibung haben (Getriebe)» die Werkstoffe nicht angreifen, bzw. vor Korrosion schützten» möglichst kühlen (z.b. Gleitlager)» druckfest sein (z.b. Schneckenräder, Gleitlager)» die Schmierstellen abdichten und damit vor Zutritt vor Schmutz und Wasser schützten Schmierstoffe Als Schmierstoffe werden benutzt: Gase: für Gleitlager extrem schnell laufender Maschinen Gleitfähige Kunststoffe: z.b. Polyamide, PTFE u.ä. für Gleitschienen, Zahnräder Festschmierstoffe: es sind feste Stoffe in Pulver- Schuppenform (Graphit, Molybdänsulfit). Sie haften gut an Gleitflächen und werden auch in Kombination von Ölen und Fetten verwendet. Schmierfette: salbenartige Stoffe, bei denen in ein Gerüst Öle eingelagert sind. Flüssige Schmierstoffe: im allgemeinen mineralische Öle verschiedener Güteklassen, mit denen sich auch eine hydrodynamische Schmierung erreichen lässt. In Sonderfällen auch Wasser oder Öl/Wasser-Emulsionen (z.b. für Gummilager)

19 Alle flüssigen Schmierstoffe werden mit steigender Temperatur dünnflüssiger, d.h. ihre Viskosität (und damit die soggenannte innere Reibung) nimmt ab. Deshalb muss die Viskosität immer zusammen mit der Temperatur angegeben werden Dynamische und kinematische Viskosität dynamische Viskosität η : h η = τ in Pa sec v N Mit: τ = Schubspannung in 2 m h = Schichtdicke in m v = Geschwindigkeitsdifferenz in kinematische Viskosität v : 2 η m v = in ρ sec bzw. Pascal ( Pa ) m sec

20 6 Lager 6.1 Allgemein Lager haben die Aufgabe, relativ zueinander bewegliche Teile -rotierende Teile wie Achsen und Welle wie auch längs bewegende Teile gegenüber Gehäusen und Führungen- gegeneinander abzustützen und zu führen, ebenso die dabei auftretenden Kräfte aufzunehmen und auf Gehäuse oder andere Bauteile zu übertragen. Man unterschiedet die drei Hauptgruppen: Wälzlager Gleitlager Längsführungen 6.2 Wälzpaarungen Unterscheidung nach: Art der Berührung: Punktberührung bei Kugeln gegen Ebene, Linienberührung bei Rollen gegen Ebene. Art der Bewegung: rein rollend, z.b. bei einem Rad ohne Antrieb zusätzlich gleitend wie z.b. Autoreifen auf Eis, oder bei einer Zahnradpaarung; ebenso ist eine umlaufende oder hin- und hergehende (reversierend) Bewegung möglich. Art der Belastung: nur normal zur Berührungsebene, wie z.b. beim Wälzlager oder auch noch tangential wie beim Reibgetriebe oder bei einem angetriebenen Laufrad; zusätzlich, ob die Kräfte ruhend, schwellend oder stoßhaft auftreten. 6.3 Wälzlager Gegenüber Gleitlager unterscheiden sich die Wälzlager vor allem durch: deutlich geringere Anlaufreibung weitgehende Unabhängigkeit der Reibung von der Drehzahl einfache und fast wartungsfreie Dauerschmierung geringer Schmierstoffverbrauch bei gleicher Breite eine höhere Tragfähigkeit ein Entfallen der Einlaufzeit weitgehende Normung der Abmessungen, der Qualität, der zulässigen Belastungen und Lebensdauer bei gleicher Belastung eine höhere Wärmeentwicklung schmutzempfindlich stoßempfindlich Wie der Name schon sagt, ermöglicht ein Wälzlager die Bewegung zwischen einem feststehenden und einem rotierenden oder linear bewegten Teil durch Abwälzung von Wälzkörpern. Die Unterscheidung der Wälzlager erfolgt nach der Art ihrer Wälzkörper. Im Prinzip in Kugelund Rollenlager, wobei die Rollen noch weiter unterteil werden in: Zylinderrollen Kegelrollen Tonnen Nadeln

21 Kugel- und Rollenlager werden wiederum unterschieden nach der Richtung der Beanspruchung in Radiallager und Axiallager, wobei zu beachten ist, dass es eine Gruppe von Lagern gibt, die kombiniert belastet werden können, d.h. Axialkräfte und Radialkräfte aufnehmen Radiallager Radiallager nehmen vornehmlich Kräfte auf, die senkrecht zur Bewegungsachse bei linearen Bewegungen bzw. zur Drehachse auf den rotierenden Körper einwirken. Einige können bis zu einem gewissen Grad auch Axialkräfte aufnehmen. Aus der Gruppe der Kugellager gehören hierzu: Radial & Axialkräfte» Rillenkugellager» Schrägkugellager» Spindel- und Vierpunktlager» Pendelkugellager Aus der Gruppe der Rollenlager: Nur Radialkräfte (i.d.r. alle Zylinderrollenlager bauartabhängig)» Tonnenlager» Nadellager Radial & Axialkräfte» Kegelrollenlager» Pendelrollenlager Axiallager Wie einige Radiallager auch gewisse Axialkräfte aufnehmen können, gibt es auch unter den Axiallagern eine Gruppe, die einen radialen Lastanteil übernehmen kann. Aus der Gruppe der Kugellager gehören hierzu: Nur Axialkräfte» Axialrillenkugellager Axial & Radialkräfte» Axialschrägkugellager Aus der Gruppe der Rollenlager: Nur Axialkräfte» Axialzylinderrollenlager Axial & Radialkräfte» Axialpendelrollenlager Lagerauf- und Einbau Ein Wälzlager besteht aus den Wälzkörpern (3), einem Außen- (1) und einem Innenring (2), sowie in der Regel einem Käfig (4) zur Führung der Wälzkörper in Umfangsrichtung. Bei Axiallagern heißen die Ringe ihrer Form entsprechend Scheiben. Durch die weitgehend internationale Normung ist die Austauschbarkeit von Wälzlagern gewährleistet

22 6.3.4 Kräfte im Lager Im unbelasteten Lager berühren sich die Ringe (Scheiben) und die Wälzkörper spielfrei, wobei jeder Wälzkörper seine charakteristische Berührfläche hat. Eine Kugel berührt den Innenring in einem Punkt, eine Zylinderrolle berührt den Innenbzw. Außenring in einer Linie. Wird nun der Innenring mit einer Kraft F belastet, dann platten die Wälzkörper ab und/bzw. drücken sich in die Ringe ein. Diese elastische Verformung nennt man Werkstoffanstrengung (herrührend von der Hertz schen Pressung). Bei gleicher Kraft ist die Werkstoffanstrengung umso größer, je kleiner die Berührfläche ist. Daraus resultiert die höhere Tragfähigkeit eines Zylinderrollenlagers gegenüber einem Rillenkugellager (trotz der höheren zulässigen Pressung bei Punktlast!) Lagerbauarten Lager sind normalerweise fest montiert, d.h. Innenring, Käfig und Außenring lassen sich nicht voneinander trennen. Einige Lager sind allerdings mehrteilig:» Vierpunktlager» Zylinderrollenlager ohne Borde» Nadellager» Kegelrollenlager» alle Axiallager Bei diesen Lagern können die Innenringe bzw. die Außenringe getrennt eingebaut werden. Fluchtungsfehler: Zum Ausgleich von Fluchtungsfehlern gibt es sog. Winkeleinstellbare (genauer: sich Winkelanpassende) Lager:» Pendelkugellager (bis 4 aus der Mittellage)» Rollenlager» Tonnenlager (bis 4 bei umlaufenden Innenring)» Radialpendellager (bis 0,5 )» Axialpendelrollenlager (bauart- und größenabhängig, 1-3 ) Lageranordnung! Man unterscheidet Festlager und Loslager, angestellte und schwingende Lagerung. Um eine Welle sicher zu lagern, sind mindestens zwei Lagerungen erforderlich.» Nur ein Lager darf als Festlager ausgebildet sein «Bei einem Festlager sind die beiden gegeneinander nicht verschiebbaren Ringe so eingebaut, dass sie sich auf der Welle und in der Bohrung axial nicht verschieben können. Das Festlager übernimmt somit die axiale Fixierung der Welle und trägt die axialen Lasten. Häufig ist das Festlager ein Radiallager, das auch axiale Kräfte aufnehmen kann (z.b. Rillenkugellager). Zylinderrollenlager ohne Borde sind dagegen beliebte Loslager, da durch das Fehlen der Borde sich der Innenring gegenüber dem Außenring leicht verschieben kann (auch wenn die Ringe als solche fixiert sind). Ebenso ist die Montage recht einfach, da beide Ringe einzeln vormontiert werden können. Die Möglichkeit der axialen Bewegung ist notwendig, da sich die Welle durch Erwärmung im Betrieb geringfügig ausdehnt

23 Die schwingende Lagerung ist eine wirtschaftliche Lösung, wenn keine enge axiale Führung der Welle verlangt wird. Sie kann sich um ein konstruktiv festgelegtes axiales Spiel verschieben. Eine angestellte Lagerung besteht i.d.r. aus zwei spiegelbildlich angeordneten Schrägkugel- oder Kegelrollenlagern. Bei dem Einbau von Lagern werden folgende Belastungsfälle unterschieden: Umfangslast: Wenn Ring und Belastungskraft relativ zueinander umlaufen Punktlast: Wenn Ring und Belastungskraft relativ zueinander stillstehen. Pendellast: Ring und Last pendeln relativ zueinander Schmierung Auch Wälzlager müssen geschmiert werden! Wegen der gegenseitigen Abwälzung der Ringe/Wälzkörper kann jedoch auf einen tragfähigen Schmierfilm verzichtet werden. Die Schmierung/das Schmiermittel hat vor allem die Aufgabe:» Verschleiß und vorzeitige Ermüdung zu vermeiden» dass sich vorteilhafte Laufeigenschaften einstellen» der metallische Kontakt der Elemente soll vermieden werden Daher reicht im Allgemeinen eine Fettschmierung aus. Der Trend geht zu Lebensdauerschmierungen (sog. 2RS-Lager bei Rillenkugellager). 6.4 Gleitlager Gleitlager dienen zur direkten Lagerung von Achs- und/oder Wellenzapfen in radialer Richtung (Traglager) und in axialer Richtung (Stützlager). Sie sind die Verbindung zwischen einem feststehendem Gehäuse und einer rotierenden Welle. Vorteile:» große Schmierfläche wirkt schwingungs-, stoß- und geräuschdämpfend» weniger empfindlich gegen Erschütterungen und Staubzutritt» erlauben bei entsprechender Konstruktion ein geringes Lagerspiel» lassen sich auch geteilt gut ausführen Nachteile:» höhere Anlaufreibung als Wälzlager» verlangen einen höheren Aufwand an Schmierstoffführung und Wartung Tendenziell wird man also Gleitlager bevorzugen, wenn u.a.:» Geräuschearmut verlangt wird» große Erschütterungen (vor allem im Stillstand) erwartet werden» wenn geteilte Lager erwünscht/gefordert sind» Dauerbetrieb und lange Lebensdauer erwartet wird» die Abmessungs-/Belastungskombination groß ist

24 Nach der Art des Druckaufbaus kann 2 Typen unterscheiden: hydrostatisch und hydrodynamisch geschmierte Lager Hydrostatisch geschmierte Lager Bei diesen wird der Druck des Schmiermittels durch ein äußeres Aggregat (Pumpe) erzeugt. Dieser Druck wird unabhängig von der relativen Bewegung die Lagerfläche trennen Hydrodynamisch geschmierte Lager Dies sind die Gleitlager schlechthin: hier bildet sich der tragende Schmierfilm, wenn die Teile keilförmig angestellt sind und gegeneinander bewegt werden. Unabhängig, ob gekrümmt oder gerade; lediglich die Gleitgeschwindigkeit muss ausreichend groß sein. Bei der Gleitgeschwindigkeit u=0 ruht der Zapfen auf der Lagerschale exzentrisch und bildet rechts und links den Keilspalt. Bei beginnender Drehbewegung, d.h. kleinem u, wird die vorhandene Festkörperreibung zunächst in Mischreibung übergehen, bis mit größer werdenden u eine reine Flüssigkeitsreibung vorliegt. Der Moment, in dem die Misch- in die Flüssigkeitsreibung übergeht, wird Ausklinken genannt bei der dazugehörigen Übergangsdrehzahl u ü. Dieser Verlauf wird in der Stribeck -Kurve dargestellt. 7 Lager- und Wellendichtungen Dichtungen verhindern das Austreten nicht nur von Schmiermitteln aller Art, sondern ggf. auch vom Produkt und verhindern das Eindringen von Schmutz, Staubpartikeln u.ä. in das Lager. Man unterscheidet schleifende und berührungslose Dichtungen. Ein grundsätzlicher Nachteil der schleifenden Dichtungen ist, dass sie zusätzlich Reibung erzeugen und damit Wärme und Verschleiß. Nachteil der berührungslosen Dichtungen ist, dass sie nicht vollständig gegen Über- bzw. Unterdruck abdichten und das Eindringen von Staub nicht sicher verhindern. 7.1 Schleifende Dichtungen Die einfachste Form der schleifenden Dichtung ist der Filzring. Er kann für Gleitgeschwindigkeiten bis zu 4 m/s eingesetzt werden. Um die Reibung zu vermindern, werden sie vor dem Einsetzten mit heißem Öl getränkt

25 7.2 Berührungsfreie Dichtungen