Aufgabe: Punkte: Ist der Einsatzstahl 16MnCr5 im einsatzgehärteten Zustand schweißgeeignet? (kurze Begründung!)

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1 FH München Fachbereich 03 Diplom-Vorprüfung Maschinenelemente SS Juli 2005 Prof. Dr.-Ing. H. Löw Prof. Dr.-Ing. G. Knauer Dipl.-Ing. W. Wieser Name: Vorname:.. Semester:. Verwendetes Buch:. Auflage:.. Arbeitszeit: 90 Minuten (15min. Kurzfragen, 75min. Berechnung) Aufgabe: Punkte: - Die Aufgabe umfasst insgesamt 7 Angaben- bzw. Arbeitsblätter - Rechenprogramme und Notebooks dürfen nicht verwendet werden - Alle übrigen eigenen Hilfsmittel sind zugelassen - Beantworten Sie die Kurzfragen bitte auf den Angabenblättern - Die Angaben- und Arbeitsblätter sind vollständig abzugeben! Teil I - Kurzfragen Aufgabe 1: Schweißverbindungen (2 Punkte) Ist der Einsatzstahl 16MnCr5 im einsatzgehärteten Zustand schweißgeeignet? (kurze Begründung!) Aufgabe 2: Werkstoff-Eigenschaften (6 Punkte) Wie beeinflusst zunehmender Kohlenstoff-Gehalt die für die Konstruktion wichtigen Eigenschaften von Baustahl? Eigenschaft Nimmt ab Bleibt gleich Nimmt zu Bruchfestigkeit Bruchdehnung Härte Kerbempfindlichkeit Schweißbarkeit Elastizitätsmodul

2 Aufgabe 3: Schrauben (4 Punkte) Nennen Sie mindestens 4 verschiedene Schraubensicherungen... Teil II: Berechnungen Die Trommel (1) der dargestellten Trocknungs-Maschine wird von der Frontseite (im Bild rechts) befüllt und ist fliegend auf einer Welle (2) befestigt. Diese Welle ist in den Punkten A und B wälzgelagert. Am linken Ende der Trommelwelle ist ein Riementrieb (3) für den Antrieb befestigt. Die Füße (4) der Trocknungs-Maschine sind mit der Grundplatte (5) verschweißt z y x B A I I F Bild 1: Übersicht: Trommel und Lagerung

3 Aufgabe 4: Kräfte, Momente und Spannungen (14 Punkte) Die Masse der Trommel und des Füllgutes erzeugen im Betrieb eine radiale und umlaufende Fliehkraft F. Zunächst ist der stationäre Betrieb zu betrachten, d.h.: - Antriebsmoment vernachlässigbar - Riemenkräfte vernachlässigbar Fliehkraft F = N Anwendungs- und Betriebsfaktor K A = 1,0 4.1 Die Lagerreaktionen an den Lagerstellen A und B 4.2 Der Verlauf des Biegemomentes längs der Welle - Qualitativer Verlauf - Angabe des Maximalwertes und zugehörige Lage Verwenden Sie hierzu das Arbeitsblatt 1 (unten)! 4.3 Die zugehörige maximale Biegespannung für einen Wellen-Durchmesser d = 47 mm M b 1000 Nm 750 Nm 500 Nm 250 Nm 0 Nm R B A F Riemenscheibe Lager Lager Kraft Arbeitsblatt 1: Verlauf des Biegemomentes längs der Welle

4 Aufgabe 5: Festigkeit mit Kerbwirkung (40 Punkte) Die Welle ist am Lager A zur Fixierung des Wälzlagers durch eine umlaufende Rechtecknut gekerbt (siehe Bild 2). Es gilt ein einachsiger Spannungszustand, d.h. eine Belastung nur durch die Kraft F. Für diese Aufgabe ist ein wechselnder zeitlicher Verlauf zugrunde zulegen! Bild 2: Rechtecknut am Lager A Maximale Biegespannung: σ b = 75 N/mm 2 Wellen-Werkstoff: 42CrMo4 Gemittelte Rauhtiefe: R Z = 6,3 µm Einflussfaktor der Oberflächenverfestigung: K V = 1,0 5.1 Nennen Sie eine Begründung für den zeitlich wechselnden Verlauf 5.2 Die Kerbwirkungszahl β kb 5.3 Der Konstruktionsfaktor K Db 5.4 Die Biegegestalt-Wechselfestigkeit σ bgw 5.5 Die Biegegestalt-Ausschlagfestigkeit σ bga 5.6 Die Sicherheit gegen Dauerbruch S D 5.7 Das maximal in die Welle einzuleitende Bremsmoment T zum Abbremsen der Trocknungs-Maschine, wenn die Sicherheit gegen Dauerbruch den Wert 1,5 nicht unterschreitet darf also S D 1,5. Für die Aufgabe 5.7 kann ein Konstruktionsfaktor K Dt = 2,82 angenommen werden.

5 Aufgabe 6: Schraubverbindungen (25 Punkte) An der Lagerstelle B ist das Wälzlagergehäuse mit Schrauben befestigt (siehe Bild 3) Bild 3: Belastung auf die Schraube Auf eine einzelne Schraube wirkt dabei eine Querkraft: F Q = 3,5 KN dynamisch axiale Betriebskraft: F B = 3,5 KN (Zugkraft rein wechselnd) Reibwert an der Trennfuge: µ = 0,15 Nachgiebigkeit der Teile: δ T = 0,5 * 10-6 mm / N Nachgiebigkeit der Schraube: δ s = 2,0 * 10-6 mm / N Krafteinleitungsfaktor: n = 0,5 Setzbetrag: f Z = 11 µm Schraube schwarz und leicht geölt Schraube schlussvergütet Anziehverfahren mit messendem Drehmoment-Schlüssel 6.1 Die Schraubenabmessung überschlägig für den Fall der Querbelastung: Festigkeitsklasse kurze Begründung! 6.2 Die Schraubenabmessung überschlägig für den Fall der dynamisch axialen Längsbelastung: Festigkeitsklasse kurze Begründung! Aus konstruktiven Gründen ist mit der Abmessung M12 weiterzurechnen! 6.3 Die Klemmkraft F Kl und den Vorspannkraft-Verlust durch Setzen F Z 6.4 Die Montage-Vorspannkraft F VM 6.5 Die Spannkraft F SP welche Festigkeitsklasse ist zu wählen? 6.6 Die dynamische Sicherheit (Dauerhaltbarkeit)

6 Aufgabe 7: Schweiß-Verbindungen (25 Punkte) Durch Überfüllung der Trommel (= Missbrauch) greift oben an der Stütze der Lagerstelle A eine rotierende Kraft von F A,max = 15kN an. Die Stütze samt Schweißnaht ist im Bild 4 (Schnitt I-I) dargestellt. y z x 100 a = 6 50 Bild 4: Schnitt I-I der Stütze A Werkstoff S235JRG2 Maximalkraft: F A,max = 15kN Betriebs- oder Anwendungsfaktor: K A = 1,3 Schweißnaht bearbeitet und 100% geprüft 7.1 Die Art und Größe der auftretenden Schweißnaht-Spannungen, wenn F A,max in die positive z-richtung zeigt 7.2 Die Art und Größe der auftretenden Schweißnaht-Spannungen, wenn F A,max in die negative y-richtung zeigt (Schubspannungen sind zu vernachlässigen!) 7.3 Zeichnen Sie die beiden Spannungszustände aus Aufgabe 7.1 und 7.2 in Arbeitsblatt 2 und ermitteln Sie graphisch die maximal auftretenden Spannungen in der yz Ebene im positiven y-achsenabschnitt. 7.4 Wie groß sind die zulässigen Spannungen bei der längs zur Kraftrichtung beanspruchten Kehlnaht? 7.5 Ermitteln Sie die Sicherheit gegen Dauerbruch.

7 Arbeitsblatt 2 Winkel Richtung - z +y +z Spannungen aus Aufg [N/mm²] Spannungen aus Aufg [N/mm²] Spannungsermittlung Spannungen [N/mm²] Winkel [ ]

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