Maschinenelemente I. Kapitel 0: Organisatorisches. Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Fakultät II Maschinenbau

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1 Kapitel 0: Organisatorisches Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Fakultät II Maschinenbau Hochschule Hannover LFP - Labor Digitale Fabrik u. Produktentwicklung Ricklinger Stadtweg Hannover Raum 1741c, Tel.: paul.diersen@hs-hannover.de Internet: Sprechstunde siehe Aushang 1

2 Übersicht Maschinenelemente 9

3 Vorlesungsinhalte Kapitel Inhalte 1 - u. Übersicht Maschinenelemente - Ziele u. Übersicht der Lehrveranstaltung 2 Grundlagen der Berechnung - Technische Modellbildung - Belastungsarten (äußere Lasten) und auftretende Spannungen - Werkstoffkennwerte - Statischer/Dynamischer Sicherheitsnachweis - Schweißnahtberechnung 3 Welle-Nabe-Verbindungen - Formschlüssigen Verbindungen (Passfeder) - Reibschlüssige Verbindungen (Pressverbindung) - Mischformen - Stoffschlüssige Verbindungen (Schweißen) 4 Schraubenverbindungen - Gewindearten - Schraubenverbindungen - Kräfte- und Verformungsverhältnisse - Berechnung - Konstruktion 5 Elastische Verbindungen (Federn) - Wirkprinzip - Anwendungen - Berechnung - Konstruktion 10

4 Ziel der Lehrveranstaltung Nachhaltiges Wissen über Maschinenelemente vermitteln: Grundlagen aufarbeiten Standard-Maschinenelemente kennen und auslegen lernen Anhand von Beispielen nachvollziehen Dimensionierung von ausgewählten Bauteilen/ Maschinenelementen Festigkeitsnachweis von ausgewählten Bauteilen/ Maschinenelementen: Welle-Nabe-Verbindungen Schraubenverbindungen Elastische Verbindungen (Federn) 11

5 Literatur Pos. Autor Titel Verlag ISBN Preis 1 Roloff / Matek Maschinenelemente Vieweg Verlag inkl. Tabellenbuch 37,- Maschinenelemente Formelsammlung Maschinenelemente Aufgabensammlung 2 K.-H. Decker Maschinenelemente Carl-Hanser Verlag Maschinenelemente Formeln Maschinenelemente Aufgaben , , , , ,- Literatur kann in der Bibliothek ausgeliehen werden 13

6 Skripte/Informationen Skripte Die Folien zur Vorlesung werden kontinuierlich zur Verfügung gestellt unter https//netstorage.rz.fh-hannover.de: docs/mbau/diersen/mae1 Die Folien dienen nur für Ihr Studium. Die Rechte bleiben bei der Hochschule Hannover Sie dürfen die Folien nicht vervielfältigen oder an Nicht-Kommilitonen weitergeben etc. Informationen: Bitte beachten Sie das Informationssystem (Plasmabildschirm) Organisation der Veranstaltung Seminaristische Vorlesung mit Übungen und Gruppenarbeit Tutorium Keine Anwesenheitspflicht, wenn anwesend, dann richtig (ohne stören, Essen & Trinken, spielen & surfen) Fotografieren nur nach Rücksprache Prüfungsleistung Klausur 14

7 Tutorium 15

8 Kapitel Maschinenelemente I Kapitel 1: Inhalt : Inhalte 1 - u. Übersicht Maschinenelemente - Ziele u. Übersicht der Lehrveranstaltung 2 Grundlagen der Berechnung - Technische Modellbildung - Belastungsarten (äußere Lasten) und auftretende Spannungen - Werkstoffkennwerte - Statischer/Dynamischer Sicherheitsnachweis - Schweißnahtberechnung 3 Welle-Nabe-Verbindungen - Formschlüssigen Verbindungen (Passfeder) - Reibschlüssige Verbindungen (Pressverbindung) - Mischformen - Stoffschlüssige Verbindungen (Schweißen) 4 Schraubenverbindungen - Gewindearten - Schraubenverbindungen - Kräfte- und Verformungsverhältnisse - Berechnung - Konstruktion 5 Elastische Verbindungen (Federn) - Wirkprinzip - Anwendungen - Berechnung - Konstruktion 17

9 Was sind Maschinenelemente? Maschinenelemente - Schrauben - Lager - Dichtungen - Achsen / Wellen - Federn - Zahnräder / Getriebe - Welle-Nabe-Verbind. - Kupplungen - Bremsen Berechnung - Dimensionierung - Festigkeitsnachweis - Belastungsarten - Statische Werkstoffkennwerte - Dynamische Werkstoffkennwerte - Lebensdauerabschätzungen - Sicherheiten... Alle Maschinen und Anlagen benötigen Maschinenelemente. Als kleinste, nicht mehr sinnvoll zu zerlegende und in gleicher oder ähnlicher Form immer wieder verwendete Bauteile nehmen sie wichtige Funktionen wahr. 18

10 Was sind Maschinenelemente? 19

11 Beispiele 22

12 Beispiele 23

13 Beispiele Einsatzbelastungen im Schaufelgelenk 24

14 Beispiele 25

15 Beispiele Kettenhebelzug 26

16 Beispiele Blick zurück: um 1500 n.chr. Leonardo da Vinci Explosionszeichnung Hubmechanismus 27

17 Beispiele Blick zurück: Um 1500 n. Chr. Mühle 28

18 Heute: Maschinenelemente im Hubschraubergetriebe Gehäuse Zahnräder (gerade/schrägverzahnt) Stirnräder Kegelräder Wellen Lager Kugellager Zylinderrollenlager Nadellager Tonnenlager Kegelrollenlager Gleitlager Welle-Nabe-Verbindungen Schrauben, Stifte, Bolzen Dichtungen 29

19 Wie laufen Konstruktionen (Produktentwicklungen) ab? Der Ablauf von Konstruktionen erfolgt in vier Phasen: (1) Klärung der Aufgabenstellung (Beispiel Brotschneidemaschine: Für wen? Welche Features? Welche Anforderungen?) Am Ende steht die Anforderungsliste für das Produkt, in dem Forderungen und Wünsche aufgeführt werden. (2) Konzeptphase oder Lösungssuche (Welche Wirkprinzipien?) z. B.: Rundmesser, Wasserstrahl, Laserstrahl, Bandsäge etc. Die Lösungen werden bewertet und die am besten geeignete Lösung ausgewählt. (3) Entwurfsphase Zunächst auf grobe Skizzen basierend wird das Produkt immer weiter "ausgestaltet" (vom Groben zum Feinen). In dieser Phase erfolgen Dimensionierungen (Festlegung von Abmessungen) aufgrund praxisnaher Annahmen. Schließlich liegt ein Feinentwurf vor, der das Produkt mit seinen Baugruppen bereits detailliert darstellt. (4) Ausarbeitungsphase Der Feinentwurf wird ausgearbeitet, d. h. alle notwendigen Fertigungszeichnungen werden erstellt. Für die nun endgültig gestalteten "kritischen" Bauteile müssen Festigkeits- (oder auch Sicherheitsnachweise) erfolgen, die alle auf das Bauteil wirkenden Einflüsse berücksichtigt. Betriebsanleitungen, Risikoanalysen u. v. m. komplettieren die Produktunterlagen. 30

20 Vier Phasen beim Konstruieren 31

21 Änderungskosten in der Produktentwicklung 32

22 Welche Grundregeln gelten für das wirtschaftliche Konstruieren? Die Wirtschaftlichkeit eines Produkts entscheidet über den Markterfolg. Auch die eingesetzten Maschinenelemente tragen dazu bei. Im diskutierten Ablauf einer Konstruktion müssen insbesondere in den beiden ersten Phasen grundlegende Regeln beachtet werden, um ein erfolgreiches Produkt zu entwickeln. Die erste Aufgabe, die Klärung der Aufgabenstellung, muss daher mit hoher Sorgfalt durchgeführt werden. 90%-Regel Grundregel 1: Kosten/Nutzen-Verhältnis in der Konstruktion Wer in seiner Anforderungsliste unnütze Dinge mitschleppt, wird ein teueres Produkt entwickeln, das er am Markt schwer verkaufen kann. Der Zuwachs an Gebrauchswert ist dabei nur noch gering. Optimum Die relativen Kosten für diese Features steigen drastisch. Vollendungsgrad Die 90%-Regel besagt, dass ein Produkt nicht "bis zur Perfektion" vollendet werden soll. Der Kunde ist jedoch zufrieden zu stellen! 33

23 Grundregel 2: Betrachte unterschiedliche Wirtschaftlichkeitsfaktoren Unter anderen bestimmen nachfolgende Faktoren wesentlich über die Wirtschaftlichkeit einer Konstruktion mit: Konzeption Wirkprinzip, Verwendung von Kaufteilen, Normalien, 90%-Regel, Zahl der Baugruppen, Bauteile Werkstoffauswahl Leichtbau, relative Kosten von Werkstoffen Fertigungsverfahren Güte der Bearbeitung (Oberflächen, Toleranzen) nach dem Grundsatz: So grob wie möglich, so fein wie nötig Stückzahl entsprechende Fertigungsverfahren (Unikate, Kleinst- oder Massenserie) Logistik Versand (z. B. sperrig?), Transport (z. B. zerlegbar?) Ergonomie Betriebsanleitung, Produkthaftung, bedienerfreundliche Konstruktion Wartung, Reinigung Montage-, reinigungs-, wartungsfreundlich Reparatur, Umrüsten Reparaturfreundlich, Reparatursets, umrüstfreundlich Sicherheit Safe-life-Verhalten : Prinzip des sicheren Bestehens Fail-safe-Verhalten : Prinzip des beschränkten Versagens Redundante Anordnungen: Erhöhung der Sicherheit durch Mehrfachanordnung Formgebung Fertigungsgerecht und marktgerecht Umwelt Werkstoffwahl, Entsorgungskonzept etc. 34

24 Grundregel 3: Beachte die Möglichkeiten der Kostenbeeinflussung im Konstruktionsprozess! Die meisten Kostenvorteile gegenüber dem Wettbewerb lassen sich in der Anfangsphase einer Konstruktion gewinnen. Konzept und Entwurf sind mit höchster Sorgfalt auszuführen. Späte Änderungen sind teuer; daher: "Mut zur Änderung in der Anfangsphase einer Konstruktion" 35

25 Bauteilversagen Versagen ist stets Funktionsverlust! Vielfältige Bauteilanforderungen: Es bricht nicht. Es verformt sich zulässig. Es knickt nicht. Es hält die geforderte Lebensdauer. Es korrodiert innerhalb von 10 Jahren nicht durch Wenn, dann versagt es an dieser Stelle. Es hält den Betriebstemperaturen stand. usw Zulässige Werkstoffkenndaten müssen über den vorhandenen Beanspruchungen (Festigkeitsnachweis) bzw. vorhandene Sicherheiten über zulässigen Mindest-sicherheiten (Sicherheitsnachweis) liegen. 36

26 Schadensursache von Maschinenelementen Mechanismen: Unzulässig große Verformung Gewaltbruch Zeit- oder Dauerbruch Rissfortschreiten Instabilwerden (Knicken, Beulen) Mechanische Abnutzung (Verschleiß, Abrieb) Chemische Angriffe (Korrosion) Thermische Effekte (Überhitzung, Versprödung) Alterung Strahlung (UV, radioaktiv, ) Ursache: Falsche Auslegung Falscher Gebrauch 37

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