Maschinen- und Konstruktionselemente 3

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2 w. Steinhilper. R. Roper Maschinen- und Konstruktionselemente 3 Elastische Elemente, Federn Achsen und Wellen Dichtungstechnik Reibung, Schmierung, Lagerungen Erste Auflage Mit 275 Abbildungen und 43 Tabellen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

3 Dr.-Ing. Waldemar Steinhilper o. Professor, Lehrstuhl flir Maschinenelemente und Getriebetechnik, Universitat Kaiserslautern Dr.-Ing. Rudolf Roper o. Professor, Lehrstuhl flir Maschinenelemente, Universitat Dortmund. ISBN Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Steinhilper, Waldemar: Maschinen- und Konstruktionselemente / W. Steinhilper; R. Roper. (Springer-Lehrbuch) 3. Elastische Elemente, Federn, Achsen und Wellen; Dichtungstechnik; Reibung, Schmierung, Lagerungen : mit 25 Tabellen. -1. Aufl ISBN ISBN (ebook) DOI / NE: Roper, Rudolf Dieses Werk ist urh~"errechtlich geschtitzt. Die dadurch begrtindeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine VervieIniltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland yom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zuiassig. Sie ist grundsiitzlich vergtitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1986, 1991, 1993, and Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New Yark 1994 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dab so\che Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher vonjedermann benutzt werden dtirften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.b. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert wordern sein, so kann der Verlag keine Gewiihr ftir Richtigkeit, Vollstandigkeit oder Aktualitat tibernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls flir die eigenen Arbeiten die vollstiindigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gtiltigen Fassung hinzuzuziehen. Typesetting: Thomson Press (India) Ltd, New Delhi SPIN: /3020/ I 0 - Gedruckt auf siiurefreiem Papier

4 Vorwort 1m vorliegenden dritten Band dieses Werkes werden die physikalischen/mechanischen und werkstoflkundlichen Grundlagen fur elastische Elemente, Federn, Achsen, Wellen, Dichtungen, Reibungs- und Schmierungsprobleme sowie Lagerungen vorgestellt. Aus den sich ergebenden Funktions- und Wirkprinzipien werden, zum Teil auch unter Beachtung technologischer und wirtschaftlicher Gesichtspunkte, Kriterien fur die Gestaltung und den Einsatz dieser Maschinen- und Konstruktionselemente erarbeitet. Bei den Federn werden neben den metallischen AusfUhrungen mit linearer und nichtlinearer Federkennlinie auch Gummifedern und Gas- sowie Fliissigkeitsfedern besprochen. Von besonderem Interesse diirfte dabei die generalisierte Betrachtung der Blattfedern sein. Bei den Achsen und Wellen wird die festigkeits- und die steifigkeits- oder verformungsgerechte Gestaltung in den Vordergrund gestellt, wobei auch statisch unbestimmte, d.h. mehrfach gelagerte Wellen und Hohlwellen beriicksichtigt werden. 1m Kapitel Dichtungen werden vornehmlich die Beriihrungsdichtungen fur Dichtfliichen ohne und mit Relativbewegung besprochen. Bei den Radial-Wellendichtringen werden die neuesten Erkenntnisse beziiglich der physikalischen Wirkund Funktionsprinzipien zusammengestellt, und es wird gezeigt, wie der im Dichtspalt erzeugte und fur eine lange Lebensdauer notwendige hydrodynamische Schmierfilm durch eine "Schleppstromung" und eine "Druckstromung" aufgebaut wird. 1m letzten Kapitel wird nach einer EinfUhrung in die Problematik der Reibung und der Schmierung ganz ausfuhrlich auf das Maschinenelement "SchmierstofT" eingegangen, weii es bei allen tribologischen Wirkstellen eines technischen Systems von grobter Bedeutung fur die Lebensdauer ist und in anderen Lehrbiichern fur das Fachgebiet "Maschinen- und Konstruktionselemente" nicht oder nur sehr wenig beachtet wird. 1m Abschnitt Wiilzlager wird die Berechnung, besonders hinsichtlich der Lebens- oder Gebrauchsdauer, sehr ausfuhrlich und auch unter Beriicksichtigung der Modifikationen nach ISO gezeigt. Dabei werden die Variation der Uberlebenswahrscheinlichkeit, die Sauberkeit im Schmierspalt und die Viskositiit des SchmierstofTes beriicksichtigt. 1m Abschnitt Gleitlager werden aufbauend auf den physikalischen Grundlagen die Wirk- und Funktionsprinzipien der hydrostatisch und der hydrodynamisch arbeitenden Lager gezeigt und daraus Gestaltungsrichtlinien fur die Konstruktion und den Betrieb dieser Lager einschlieblich der

5 vi Vorwort Schmierstoffversorgung zusammengestellt. Da bei den Gleitlagern das tribologische Zusammenspiel der Komponenten Gleitlagerschale, Lagerstiitzk6rper, Welle und Schmierstoffversorgung von grober Bedeutung ist, werden in vielen Beispielen die dabei wichtigen Fragen der Konstruktion und der Werkstoffauswahl sehr ausfiihrlich besprochen. Die Verfasser bedanken sich bei ihren Mitarbeitern fiir die Unterstiitzung bei der Reinschrift des Textes und der Anfertigung der Bilder. Besonderer Dank gilt den Herren Dr. Britz fiir die Mitabeit im Kapitel 9 und Dr. Hennerici fiir die Mitarbeit im Kapitel10. Den Mitarbeitern des Verlages, die in bewiihrter Weise zur guten Gestaltung und Ausstattung dieses Bandes beigetragen haben, mochten wir an dieser Stelle ebenfalls Dank sagen. Kaiserslautern, Dortmund, im Friihjahr 1994 W. Steinhilper, R. Roper

6 Inhaltsverzeichnis 7 Elastische Elemente, Federn Federkennlinie, Federrate, Federarbeit und -dampfung.. Federwerkstoffe.... Zusammenschaltung von Federn. Parallelschaltung Hintereinanderschaltung.. Mischschaltung Beanspruchung von Federn. Zug-/druckbeanspruchte Federn. Stabfedern.... Ringfedern Torsionsbeanspruchte Federn Drehstabfedern Schraubenfedern.... Biegebeanspruchte Federn.. Einfache und geschichtete Blattfedern. Gewundene Biegefedern. Tellerfedern.... Gummifedern Gestaltung von Gummifedern. Beanspruchung von Gummifedern.. Werkstoffkennwerte.... Berechnung von Gummifedern. Anwendung von Gummifedern. Gas- und Fliissigkeitsfedern.. Gas- bzw. Luftfedern.. Fliissigkeitsfedern... Gas-Fliissigkeitsfedern. Berechnungsbeispiele Schrifttum

7 viii InhaItsverzeichnis Achsen und Wellen Begriffsbeschreibung Bemessung auf Tragfahigkeit. Beanspruchungsarten.... Beanspruchung durch Querkrafte Beanspruchung durch Biegung.... Beanspruchung durch Torsion Dimensionierung Dimensionierung der Achsen Dimensionierung der Wellen Bemessung auf Verformung Durchbiegung Einfache Grundfalle Wellen mit veranderlichem Querschnitt.... Vollstandige Berechnung Richtwerte.... Verdrehung.... Richtwerte.... Dynamisches Verhalten der Wellen. Biegeschwingungen Drehschwingungen Ausfiihrung der Achsen und Wellen.... Normung.... Werkstoffe und Fertigung.... Gestaltung der Wellen Wellengestaltung fur gute Tragfahigkeit. Wellengestaltung fur kleine Verformungen... Dreifach gelagerte Wellen Hohlwellen Flexible Wellen..... Gelenkwellen Berechnungsbeispiel... Biegeverformung einer Getriebewelle.. Schrifttum Dichtungstechnik Zweck und Einteilung der Dichtungen... Abzudichtendes Medium Konstruktion der abzudichtenden Bauteile... Gute der Dichtflachen Konstruktion des Dichtungselementes... Dichtungswerkstoff

8 InhaItsverzeichnis IX Beruhrungsdichtungen fur Dichtfliichen ohne Relativbewegung.... Gliederung der Dichtungen.... Unlosbare Dichtungen.... Losbare Beruhrungsdichtungen. Dichtungswerkstoffe Dichtungsfunktion Vorverformung Betriebskraft der Dichtung. Einbauschraubenkraft... Abdichtung von HeiBleitungen.. Flachdichtungen Flachdichtungen aus Weichstoffen.. Metallische Dichtungen (Formdichtungen). Selbsttiitige Dichtungen Selbstverstiirkende Weichstoffdichtungen. Muffendichtungen.... Beruhrungsdichtungen fur Dichtfliichen mit Relativbewegung Packungsstopfbuchsen Formdichtungen fur Liings- und Drehbewegungen. Nutringe.... Manschetten und Packungen. Kompaktdichtungen.... Ringdichtungen Radial- Wellendichtungen... Dichtungen fur Hydraulikgelenke und -drehdurchfuhrungen... Axial wirkende Dichtungen.. Axialdichtscheiben. Gleitringdichtungen Schrifttum Reibung, Schmierung, Lagerungen. Reibung.... Reibungsarten... Reibungszustiinde Ubergangskriterien. Reibungszahlen, Reibmoment Schmierung Grundlagen der Schmierung. Schmierstoffe Schmierole

9 x Inhaltsverzeichnis Schmierfette. Festschmierstoft'e Viskositat von Schmierstoft'en Temperaturabhangigkeit der Viskositat. Druckabhangigkeit der Viskositat.... Zustandsgleichung der Schmierstoft'e.. Dichte von Schmierstoft'en Spezifische Warme und Warmeleitkoeffizient von Schmierstoft'en.... Schmierstoffklassifikation Klassifikation der Schmierole Klassifikation der Schmierfette Physikalisches Wirkprinzip bei der Schmierung.. Hydrostatische Schmierung Hydrodynamische Schmierung Elastohydrodynamische Schmierung Lagerung von Wellen Anordnung von Lagern Festlager-Loslager-Anordnung.... Stiitzlager-Anordnung Schwimmende Lager-Anordnung Lageranordnung mit elastisch verspannten Stiizlagern.. Belastungsfall Wiilzlager Eigenschaften von Walzlagern Bauformen und Bezeichnungen Radiallager Axiallager Das Walzlagerbezeichnungssystem nach DIN KraftftuB und Belastungsnille Die Gestaltung von Walzlagerungen Walzlageranordnungen Radiale Lagerbefestigungen Axiale Lagerbefestigungen... : Anstellen von Lagern Wiilzlagerabdichtungen Abdichtung bei Fettschmierung Abdichtung bei Olschmierung Montage, Schmierung und Wartung von Walzlagern Ein- und Ausbau Schmierung und Wartung Fettschmierung Olschmierung Tragnihigkeit, Lebens- oder Gebrauchsdauer

10 Inhaltsverzeichnis Xl Begriffsdefinitionen Tragzahlen und Berechnung der iiquivalenten Lagerbelastung Lagerdimensionierung nach der statischen Tragfiihigkeit. Lagerdimensionierung nach der nominellen Lebensdauer. Lagerdimensionierung nach der modifizierten Lebensdauer. Lastkollektive, mittlere Drehzahlen Zuliissige Drehzahlen.... Werkstoffe.... Werkstoffe fur Lagerringe und Wiilzkorper. Werkstoffe fur Lagerkiifige Gleitlager Hydrostatisch arbeitende Gleitlager Spaltstromung viskoser Fliissigkeiten Schmierfilm zwischen kreisformigen Platten Hydrostatisch arbeitende Axiallager (Spurlager) Hydrostatisch arbeitende Radial- oder Querlager Hydrostatische Anhebevorrichtung Schmierstoffversorgungssysteme Hydrodynamisch arbeitende Gleitlager Hydrodynamische Theorie Vereinfachungen und Annahmen in der Gleitlagertechnik Reynoldssche Gleichung fur die Druckverteilung Keil- oder Gleitschuhlager unter stationiirer Belastung Radialgleitlager unter stationiirer Belastung Unendlich breite Radialgleitlager (BID> 1,5) Sehr schmale Radialgleitlager (BID < 1/4) Endlich breite Radialgleitlager Radialgleitlager unter instationarer Belastung Gleichung fur die Druckverteilung Kinematik der Lagerkomponenten Grundlosungen und ihre Bedeutung Ergebnisse der numerischen Auswertung Zusammenbruch der Tragflihigkeit, Halbfrequenzwirbel Verlagerungswinkel, Lastwinkel, Verlagerungsdiagramm Feder- und Diimpfungseigenschaften des Schmierfilms Gleitlagerwerkstoffe Allgemeine und physikalisch-mechanische Eigenschaften Aufbau von Gleitlagern Charakteristische Eigenschaften der metallischen Lagerwerkstoffe Charakteristische Eigenschaften von thermo- plastischen Kunststoffen als Gleitlagerwerkstoffe Werkstoffe und Ausfuhrungsformen fur Gleitlager mit besonderen Anforderungen

11 xii Inhaltsverzeichnis Gestaltung von Gleitlagern Gestaltung von hydrostatisch arbeitenden Gleitlagern Gestaltung von hydrodynamisch arbeitenden Gleitlagern Radialgleitlager (Querlager) Axialgleitlager (Uingslager) Radial-Axial-Gleitlager Schrifttum Sachverzeichnis