Konstruktionselemente des Maschinenbaus 2

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2 Springer-Lehrbuch

3 Waldemar Steinhilper Bernd Sauer (Hrsg.) Konstruktionselemente des Maschinenbaus 2 Grundlagen von Maschinenelementen für Antriebsaufgaben 7. Auflage Autoren: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Albert Albers, Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Prof. Dr.-Ing. Ludger Deters, Universität Magdeburg Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen, RWTH Aachen Prof. Dr.-Ing. Erhard Leidich, TU Chemnitz Prof. Dr.-Ing. habil. Heinz Linke, TU Dresden Prof. Dr.-Ing. Gerhard Poll, Leibniz Universität Hannover Prof. Dr.-Ing. Bernd Sauer, TU Kaiserslautern Prof. Dr.-Ing. JörgWallaschek, Leibniz Universität Hannover

4 Professor Dr.-Ing. Dr.h.c. Waldemar Steinhilper Universität Kaiserslautern Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik Professor Dr.-Ing. Bernd Sauer (Hrsg.) Technische Universität Kaiserslautern FB Maschinenbau und Verfahrenstechnik LS Maschinenlemente und Getriebetechnik Gottlieb-Daimler-Strasse Kaiserlsautern Deutschland ISSN ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg c Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1985, 1990, 1993, 2000, 2006, 2008, 2012 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, 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 wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Lektorat: Eva Hestermann-Beyerle Einbandgestaltung: WMXDesign GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

5 Vorwort zur siebten Auflage Die nun vorliegende 7. Auflage des Bandes 2 stellt eine überarbeitete Fassung der 6. Auflage dar, nachdem die 5. Auflage eine vollständige Neubearbeitung lieferte. Die beiden Lehrbücher gehören zu den Büchern des Springer Verlages, die von Studierenden mit am häufigsten genutzt werden. Sie werden seit 2011 durch das neu erschienene Übungsbuch ergänzt und bieten damit hervorragende Möglichkeiten zum Selbststudium. Kaiserslautern, im Dezember 2011 B. Sauer Vorwort zur fünften Auflage Nach dem Ausscheiden von Prof. Steinhilper und Prof. Röper aus dem universitären Berufsleben sind beide ursprünglichen Autoren der Maschinen- und Konstruktionselemente Bücher bedauerlicher Weise in kurzer Folge und viel zu früh verstorben. In Würdigung der außerordentlichen Verdienste der Herren Professoren Steinhilper und Röper und wegen des Wertes der Bücher für die Hochschulausbildung wurde am Standort Kaiserslautern der Entschluss gefasst, diese Konstruktionselementebücher weiterleben zu lassen. Der Charakter der Bücher als Ausbildungswerkzeug und auch als Nachschlagewerk für den Praktiker sollte erhalten bleiben. Die von Prof. Steinhilper geplanten, aber leider nicht mehr fertig gestellten Kapitel zu Zahnradgetrieben, Antrieben, Umschlingungsgetrieben und Kupplungen sollten für eine vollständige Neuauflage ergänzt werden. Für die Neubearbeitung wurde ein neuer Weg eingeschlagen: Die Bücher werden fortan von einem Autorenteam betreut und weitergepflegt. Der Grundgedanke dabei ist, dass durch die Mitwirkung von weiteren Autoren noch mehr Kompetenz in die Abfassung der Inhalte fließen kann. Weiterhin hat sich gezeigt, dass das

6 VI Vorwort zur fünften Auflage Autorenteam hinsichtlich der Inhalte ein hervorragendes Diskussionsforum bietet, das auch dazu dient, die Lehrinhalte über mehrere Universitätsstandorte zu harmonisieren. So entstand ein Team, das nun mit viel Engagement und Einsatz den ersten Band und nun auch den vorliegenden zweiten Band erarbeitet hat. Gegenüber dem bisherigen Konzept mit drei Bänden, bei denen noch wichtige Kapitel, wie Zahnradgetriebe und Kupplungen, fehlten, wird nun der gesamte Stoff der Konstruktions- und Maschinenelemente in zwei Bänden angeboten. Die nun vorliegende 5. Auflage des Bandes 2 stellt gegenüber dem bisherigen Band 3 Steinhilper/Röper eine völlige Neuberarbeitung dar. Die Kapitel Federn und Achsen und Wellen waren schon in den neuen Band 1 übernommen worden. Die restlichen Kapitel Dichtungen und Reibung, Schmierung, Lagerungen sind nun im vorliegenden neuen Band 2 grundlegend überarbeitet. Die ursprünglich von Prof. Steinhilper für einen vierten Band geplanten Kapitel mit Maschinenelementen für Antriebsaufgaben sind nun hier von industriell erfahrenen Autoren neu erstellt worden. So umfasst der neue Band 2 als neue Kapitel: Eine Einführung in Antriebssysteme, Kupplungen und Bremsen, Zahnradgetriebe, Zugmittelgetriebe, Reibradgetriebe und eine Abhandlung über Sensoren und Aktoren. Neben dem Autorenteam haben an allen Standorten fleißige Helferinnen und Helfer mitgewirkt, um dieses Buch entstehen zu lassen. So haben z. B. in Karlsruhe die Herren Dipl.-Ingenieure Jochen Kinzig und Matthias Behrendt bei den Kapiteln 5, 13 und 14 tatkräftig mitgewirkt. In Magdeburg wurden die Arbeiten am Kapitel 16 durch Herrn Dr. Wolfgang Mücke maßgeblich unterstützt. In Kaiserslautern haben Herr Prof. Brockmann und Herr Junior Prof. Geiß einen Textbeitrag zum Themengebiet Kleben beigesteuert, der ins Kapitel 8 aufgenommen worden ist. Allen genannten und auch allen nicht genannten Helfern möchte ich, auch im Namen des Autorenteams, meinen herzlichen Dank für die Unterstützung ausdrücken! Einen Hinweis an alle Leser: Die hier vorgesellten Inhalte sind sorgfältig recherchiert und erarbeitet worden. Dennoch ist es nicht möglich für die Richtigkeit der Inhalte in irgendeiner Form eine Gewähr zu übernehmen. Insbesondere bei Anwendung von Normen und Vorschriften obliegt es dem Anwender sich über die Aktualität von Normen und Vorschriften Klarheit zu verschaffen und immer aktuelle und gültige Unterlagen als Grundlage für die eigenen Arbeiten zu verwenden. Einen weiteren Hinweis, insbesondere an die weiblichen Leser: Bei der Abfassung des Textes ist zur Vereinfachung und aus Platzgründen darauf verzichtet worden jeweils beide Geschlechter zu nennen. Gemeint ist z. B. mit einer Formulierung der Konstrukteur natürlich die Konstrukteurin und der Konstrukteur! Alle Autoren bitten um Verständnis für diese verkürzte Schreibweise. Kaiserslautern, im Dezember 2005 B. Sauer

7 Inhaltsverzeichnis Band 2 Kapitel Reibung, Verschleiß und Schmierung Einführung Tribotechnisches System Reibung, Reibungsarten, Reibungszustände Verschleiß Grundlagen der Schmierung Schmierstoffe Literatur 66 Kapitel Lagerungen, Gleitlager, Wälzlager Lagerungen Gleitlager Wälzlager Literatur 194 Kapitel Dichtungen Funktion und Wirkprinzip Dichtungsbauformen Gestaltung und Berechnung von Dichtungen Werkstoffe Schädigungsmechanismen und Lebensdauer Einbau Literatur 243 Kapitel Einführung in Antriebssysteme Funktion und Wirkungsweise Einteilung und Eigenschaften der Getriebe Mechanische Getriebe Hydraulische Getriebe 263

8 VIII Inhaltsverzeichnis 13.5 Berechnung Literatur 277 Kapitel Kupplungen und Bremsen Funktion und Wirkungsweise Gestalt, Bauarten und Bauformen Auswahlkriterien und Auswahlprozess Berechnung Kupplungswerkstoffe und Friktionswerkstoffe Gestaltung Literatur 367 Kapitel Zahnräder und Zahnradgetriebe Grundlegendes zu Zahnradgetrieben Stirnradgetriebe Stirnradgetriebe - Tragfähigkeit Kegelradgetriebe Schneckengetriebe Planetengetriebe Anhang Literatur 566 Kapitel Zugmittelgetriebe Aufbau und Wirkungsweise Riemengetriebe Kettengetriebe Literatur 636 Kapitel Reibradgetriebe Funktion und Wirkprinzip Bauformen und ihre Anwendung Berechnung Literatur 661 Kapitel Sensoren und Aktoren Funktion Aktoren Sensoren Literatur 705

9 Inhaltsverzeichnis IX Autorenkurzbiographien 707 Sachverzeichnis 711 Band 1 1 Einleitung 2 Normen, Toleranzen, Passungen und Technische Oberflächen 3 Grundlagen der Festigkeitsberechnung 4 Gestaltung von Elementen und Systemen 5 Elastische Elemente, Federn 6 Schrauben und Schraubenverbindungen 7 Achsen und Wellen 8 Verbindungselemente und Verfahren 9 Welle- Nabe- Verbindungen

10 Autorenverzeichnis Die Kapitel der beiden Bände Konstruktionselemente des Maschinenbaus wurden von folgenden Autoren verfasst und betreut: Band 1 Kapitel Autor(en) 1 Einführung Jörg Feldhusen und Bernd Sauer 2 Normen, Toleranzen, Passungen u. techn. Oberflächen Erhard Leidich 2.1 bis 2.3 Ludger Deters Grundlagen der Festigkeitsberechnung Bernd Sauer 4 Gestaltung von Elementen und Systemen Jörg Feldhusen 5 Elastische Elemente, Federn Albert Albers 6 Schrauben und Schraubenverbindungen Bernd Sauer 7 Achsen und Wellen Erhard Leidich 8 Verbindungselemente und Verfahren Jörg Feldhusen 9 Welle-Nabe-Verbindungen Erhard Leidich Band 2 Kapitel Autor(en) 10 Reibung, Verschleiß und Schmierung Ludger Deters 11 Lagerungen, Gleitlager, Wälzlager Gerhard Poll 11.1 Ludger Deters 11.2 Gerhard Poll Dichtungen Gerhard Poll 13 Einführung in Antriebssysteme Albert Albers 14 Kupplungen und Bremsen Albert Albers 15 Zahnräder und Zahnradgetriebe Heinz Linke 16 Zugmittelgetriebe Ludger Deters und Wolfgang Mücke 17 Reibradgetriebe Gerhard Poll 18 Sensoren und Aktoren Jörg Wallaschek

11 Kapitel 10 Ludger Deters 10 Reibung, Verschleiß und Schmierung Einführung Tribotechnisches System Allgemeines Funktion Struktur Kontaktgeometrie Tribologische Beanspruchungen und Wechselwirkungen Beanspruchungskollektiv (Eingangsgrößen)...13 Ausgangsgrößen (Nutzgrößen) Verlustgrößen Reibung, Reibungsarten, Reibungszustände Reibung, allgemein Reibungsarten Reibungszustände Reibungsmechanismen Reibungszahlen Reibungsschwingungen (stick-slip-vorgänge) Verschleiß Verschleiß, allgemein Verschleißarten und -mechanismen Verschleißverläufe und -messgrößen...26 Bestimmung von Verschleiß und Lebensdauer Grundlagen der Schmierung Schmierungszustände Vollschmierung Hydrodynamische Schmierung Elastohydrodynamische Schmierung (EHD) Hydrostatische Schmierung Grenzschmierung Teilschmierung Schmierung mit Feststoffen und Oberflächenbeschichtungen Schmierstoffe Schmieröle Mineralöle Synthetische Öle...45 W. Steinhilper, B. Sauer, Konstruktionselemente des Maschinenbaus 2, DOI / _1, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012

12 Biologisch leicht abbaubare Öle Wirkstoffe (Additive) Konsistente Schmierstoffe (Schmierfette) Schmierfette Haftschmierstoffe Festschmierstoffe Eigenschaften von Schmierstoffen Viskosität Dichte, spezifische Wärme, Wärmeleitfähigkeit Konsistenz von Schmierfetten Schmierstoffklassifikation Klassifikation der Schmieröle Klassifikation der Schmierfette Literatur... 66

13 10 Reibung, Verschleiß und Schmierung 10.1 Einführung Reibung und Verschleiß sind häufig unerwünscht. Während Reibung den Wirkungsgrad von Maschinenelementen, Maschinen und Anlagen verschlechtert und damit den Energiebedarf erhöht, mindert Verschleiß den Wert von Bauteilen und Baugruppen und kann zum Ausfall von Maschinen und Anlagen führen. Andererseits wird bei vielen technischen Anwendungen eine hohe Reibung angestrebt, Tabelle Auch Verschleiß kann in Sonderfällen in begrenztem Umfang nützlich sein, so z.b. bei Einlaufvorgängen. Reibung und Verschleiß sind keine geometrie- oder stoffspezifischen Eigenschaften nur eines der am Reibungs- und Verschleißvorgang beteiligten Elemente, wie z.b. äußere Abmessungen, Oberflächenrauheiten, Wärmeleitfähigkeit, Härte, Streckgrenze, Dichte oder Gefüge, sondern sind Systemeigenschaften. Schon wenn eine Einflussgröße des tribotechnischen Systems geringfügig modifiziert wird, kann sich das Reibungs- und/oder das Verschleißverhalten des Systems gravierend verändern. Schmierung wird eingesetzt, um Reibung zu verringern und Verschleiß zu verkleinern oder ganz zu vermeiden. Bei einer Umlaufschmierung können außerdem Verschleißpartikel und Wärme aus dem Reibkontakt abtransportiert werden. Weitere wichtige Aufgaben der Schmierung sind das Verhindern von Korrosion (Rostbildung) und bei Fettschmierung das Abdichten der Reibstellen. Tabelle Beispiele für technische Anwendungen mit erwünschter und unerwünschter Reibung Anwendungen mit erwünschter Reibung Bremsen, Kupplungen Rad/Schiene, Autoreifen/Straße Reibradgetriebe Keil- und Flachriemengetriebe Schraubverbindungen Kegelsitze, Spannelemente, Presssitze Dämpfer Transportband/Transportgut usw. Anwendungen mit unerwünschter Reibung Gleitlager, Wälzlager und Führungen Dichtungen Zahnrad- und Kettengetriebe Bewegungsschrauben Kolbenring/Zylinder Ventil/Ventilführung, Nocken/Stößel Ur- und Umformprozesse Spanende Bearbeitung usw. Reibung und Verschleiß werden im Rahmen der Tribologie behandelt. Tribologie ist die Wissenschaft und Technik von aufeinander einwirkenden Oberflächen bei Relativbewegung. Tribologie schließt Grenzflächenwechselwirkungen sowohl zwischen Festkörpern als auch zwischen Festkörpern und Flüssigkeiten und/oder

14 4 10 Reibung, Verschleiß und Schmierung Gasen ein. Tribologie umfasst das Gesamtgebiet von Reibung und Verschleiß, einschließlich der Schmierung [GfT7]. Aufgabe der Tribologie ist es, Reibung und Verschleiß für den jeweiligen Anwendungsfall zu optimieren. Das bedeutet, neben der Erfüllung der geforderten Funktion, einen hohen Wirkungsgrad und ausreichende Zuverlässigkeit bei möglichst geringen Herstell-, Montage- und Wartungskosten sicherzustellen. Außerdem spielen Umweltgesichtspunkte eine immer wichtigere Rolle. Um diese Anforderungen zu erreichen, kann beispielsweise ein anwendungs- und umweltgerechter Zwischenstoff (Schmierstoff) zwischen die Reibkörper gebracht werden, können Werkstoffe und Oberflächenrauheiten angepasst oder optimiert werden, können Beschichtungen auf die Reibkörper aufgebracht werden u.v.a.m Tribotechnisches System Allgemeines Nach [FePa04] sind technische Gebilde, wie z.b. Maschinen, Baugruppen oder Bauteile, künstliche und konkrete Systeme, die aus einer Gesamtheit geordneter Elemente bestehen, die aufgrund ihrer Eigenschaften miteinander durch Beziehungen verknüpft sind. Systeme sind von ihrer Umgebung abgegrenzt. Die Verbindungen zur Umgebung sind die Ein- und Ausgangsgrößen. Sie schneiden die Systemgrenze. Technische Systeme dienen der Leitung und/oder Veränderung von Energie, Stoffen und Signalen. Sie lassen sich beschreiben mit Hilfe der zu erfüllenden Funktion, der Wirk- und Baustruktur und den Wechsel- und Rückwirkungen zwischen den Systemelementen und zwischen der Umgebung und den Systemelementen. Reibung und Verschleiß finden innerhalb eines Tribotechnischen Systems (TTS) statt. Zur Abgrenzung eines TTS wird zunächst in geeigneter Weise eine Systemeinhüllende um die unmittelbar an Reibung und Verschleiß beteiligten Bauteile und Stoffe gelegt und diese damit fiktiv von den übrigen Bauteilen abgetrennt. Die an Reibung und Verschleiß beteiligten Stoffe und Bauteile sind die Elemente des TTS und sind durch ihre Stoff- und Formeigenschaften charakterisiert. Ein Tribotechnisches System kann in allgemeiner Form wie in Abb dargestellt werden. Es wird durch die zu erfüllende Funktion, die Eingangsgrößen (Belastungskollektiv), die Ausgangsgrößen, die Verlustgrößen und die Struktur beschrieben. Neben gewollten Eingangsgrößen treten auch ungewollte Eingangsgrößen, so genannte Störgrößen, auf. Zusammen mit der Struktur beeinflussen sie die Ausgangs- und Verlustgrößen des TTS.

15 10.2 Tribotechnisches System 5 Abb Allgemeine Darstellung eines Tribotechnischen Systems (TTS) Funktion Aufgabe bzw. Funktion eines TTS ist die Umsetzung von Eingangsgrößen (z.b. Eingangsdrehmoment, Eingangsdrehzahl, Eingangsbewegungsart und -ablauf) in technisch nutzbare Ausgangsgrößen (z.b. Ausgangsdrehmoment, Ausgangsdrehzahl, Ausgangsbewegung) unter Nutzung der Systemstruktur (Abb ). Abb Erweiterte Darstellung eines Tribotechnischen Systems (TTS) nach [CziHa03] Je nach ihrer Hauptaufgabe, welche die Umsetzung von mechanischer Energie oder von Stoffen oder aber auch eine damit verbundene Signal- oder Informationsübertragung sein kann, können die TTS in primär energie-, stoff- oder informa-