Frank Rieg Manfred Kaczmarek (Hrsg.) Taschenbuch der Maschinenelemente

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1 Frank Rieg Manfred Kaczmarek (Hrsg.) Taschenbuch der Maschinenelemente

2 Rieg/Kaczmarek (Hrsg.) Taschenbuch der Maschinenelemente

3 Herausgeber Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg, Universität Bayreuth Dipl.-Ing. Manfred Kaczmarek, Nörvenich Autoren Dipl.-Ing. Bettina Alber, Universität Bayreuth, (Kap. 4) Dr.-Ing. Eberhard Bock, Freudenberg Dichtungs- und Schwingungstechnik GmbH & Co. KG Weinheim, (Kap. 27) Prof. Dr.-Ing. Edmund Böhm, Hochschule Ravensburg-Weingarten, (Kap. 5) Dipl.-Ing. Roland Denefleh, SEW Eurodrive GmbH Bruchsal, (Kap. 17) Prof. Dr.-Ing. Ludger Deters, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, (Kap. 25, 26) Prof. Dr.-Ing. Gerhard Engelken, Fachhochschule Wiesbaden, Standort Rüsselsheim, (Kapitel 2) Dipl.-Ing. Josef Esser, TEXTRON Fastening Systems Neuss, (Kap. 14) Dipl.-Ing. Jens-Uwe Goering, Universität Bayreuth, (Kap. 16) Dr. Werner Gruber, Korschenbroich, (Kap. 9) Dipl.-Wirtsch.-Ing. Reinhard Hackenschmidt, Universität Bayreuth, (Kap. 3) Dr.-Ing. Thomas Kämper, Siegling GmbH Hannover, (Kap. 19) Dipl.-Ing. Manfred Kaczmarek, Nörvenich, (Kap. 1) Dr.-Ing. Thomas Klenk, Freudenberg Dichtungs- und Schwingungstechnik GmbH & Co. KG Weinheim, (Kap. 27) Dipl.-Ing. Heike Kriegel, Gutekunst Federn Cunewalde, (Kap. 15) Dipl.-Ing. Daniel Landenberger, Universität Bayreuth, (Kap. 7, 8) Ing. Peter Möllers, Optibelt GmbH Höxter, (Kap. 20) PD Dr.-Ing. Thomas Nagel, Technische Universität Dresden, (Kap. 21) Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg, Universität Bayreuth, (Kap. 6, 22) Dipl.-Ing. Dietmar Rudy, Schaeffler KG Homburg/Saar, (Kap. 24) Dipl.-Ing. (FH) Wolf-Dieter Schnell, Hochschule Ravensburg-Weingarten, (Kap. 5) Dipl.-Ing. Bettina Spandl, Universität Bayreuth, (Kap. 4) Prof. Dr.-Ing. Rolf Steinhilper, Universität Bayreuth, (Kap. 7, 8) Prof. Dr.-Ing. Peter Stelter, Rheinische Fachhochschule Köln, (Kap. 23) Dr.-Ing. Rainer Storm, Technische Universität Darmstadt, (Kap. 29) Dr.-Ing. Erhard Vogt, Arnold & Stolzenberg GmbH Einbeck-Juliusmühle, (Kap. 18) Prof. Dr.-Ing. Hans Dieter Wagner, Hochschule Heilbronn, (Kap. 10, 11, 12) Obering. Dipl.-Ing. Günter Wossog, Heidenau, (Kap. 28) PD Dr.-Ing. habil. Masoud Ziaei, Technische Universität Chemnitz, (Kap. 13)

4 Taschenbuch der Maschinenelemente herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg und Dipl.-Ing. Manfred Kaczmarek Mit 511 Bildern und 112 Tabellen FACHBUCHVERLAG LEIPZIG im Carl Hanser Verlag

5 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN: E-Book-ISBN: 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. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdrucks und der Vervielfältigung des Buches oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Umschlagbild: Schaeffler KG Herzogenaurach Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag 2006/2015 Carl Hanser Verlag München Projektleitung: Jochen Horn Herstellung: Renate Roßbach Umschlaggestaltung: MCP Susanne Kraus GbR, Holzkirchen Satz: Druckhaus Thomas Müntzer GmbH, Bad Langensalza Druck und Bindung: Kösel, Krugzell Printed in Germany

6 Vorwort Bei der Planung und Konstruktion von technischen Systemen spielen Maschinenelemente eine zentrale Rolle. Durch sie werden Baugruppen, Maschinen und Anlagen zu einer funktionierenden Einheit zusammengefügt. Außerdem sind genormte und solche Elemente, die der Konstrukteur fertig kaufen kann, ein im Konstruktionsprozess bedeutender wirtschaftlicher Faktor. In diesem Taschenbuch werden die wichtigsten Maschinenelemente vorgestellt. Die Gliederung der Kapitel ist übersichtlich und zweckmäßig aufgebaut. Alle Maschinenelemente werden durch die Beschreibung der unterschiedlichen Typen und Bauarten sowie die Anleitung zur Auswahl und Berechnung klar und eindeutig erläutert. In diesem Taschenbuch finden sowohl Studierende an Technischen Universitäten, Fachhochschulen und Fachschulen als auch im Berufsleben stehenden Praktiker die für sie wichtigen Informationen. Zahlreiche Einsatzbeispiele, als Zeichnung oder Bild, erleichtern die Auswahl für die spezielle technische Problematik des Lesers. Mit dem vorliegenden Werk ist eine erste Vorauswahl zur Dimensionierung möglich. Mit dem aus der anschließenden Berechnung resultierenden Maschinenelement kann dann der Entwurf komplettiert werden. Was wäre ein Fachbuch ohne seine Autoren? Wir freuen uns, dass es gelungen ist, kompetente und erfahrene Fachleute aus der Industrie, aus Fachhochschulen und Universitäten zu gewinnen, und sagen unseren Autoren herzlichen Dank. Was wäre ein Fachbuch ohne den Verlag? Herr Jochen Horn vom Fachbuchverlag Leipzig begleitete das Projekt sehr engagiert. Wir danken ihm für die ausgezeichnete Zusammenarbeit und dem Verlag für die sorgfältige Ausführung des Werkes. Was wäre ein Fachbuch ohne seine Leser? Wir hoffen, dass dieses Buch gut von Ihnen aufgenommen wird und dass Sie Nutzen daraus ziehen können. Sollte Ihnen beim Gebrauch dieses Buches das eine oder andere miss- bzw. gefallen, freuen sich Verlag und Herausgeber gleichermaßen sowohl über anregende Kritik als auch über motivierendes Lob. Bayreuth und Nörvenich, im Frühjahr 2006 Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Dipl.-Ing. Manfred Kaczmarek

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8 Inhaltsverzeichnis 7 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Definition und Arten der Maschinenelemente Geschichtliches Ausführung und Einsatz der Maschinenelemente Maschinenzeichnen Übersicht Technisches Freihandzeichnen Zeichnungen Begriffe, Grundnormen und -regeln Begriffe Formate, Blattgrößen, Vordrucke, Maßstäbe Linien und ihre Anwendung Zeichnung Träger von Informationen Geometrieinformation Ansichten in Parallelprojektionen Axonometrische Darstellungen Besondere Ansichten Darstellung von Einzelheiten Vereinfachte Darstellungen Schnittdarstellungen Bemaßungsinformation Elemente der Maßeintragung Eintragen von Maßen Eintragen von Toleranzen Technologie- und Qualitätsinformationen Organisatorische Informationen CAD Computer Aided Design Die Nutzung von 2D-CAD-Systemen Die Nutzung von 3D-CAD-Systemen Konstruktionsmethodik und Normung Grundlegende Arbeitsmethodik Allgemeiner Lösungsprozess Systematische Suche nach Lösungen Konventionelle Methoden Kreativitätstechniken Beurteilung von Lösungen Entscheidungen Konstruktionsprozess Klären der Aufgabenstellung Konzipieren Entwerfen und Ausarbeiten Die Randbedingungen der Konstruktionsmethodik Zusammenfassung Konstruktionsmethodik Normung Innerbetriebliche Normen

9 8 Inhaltsverzeichnis Nationale Normen Europäische Normen Internationale Normen Normen im Konstruktionsprozess Inhalt und Art von DIN-Normen Typung, Normzahlen und Normreihen Bezeichnung von Werkstoffen Werkstoffauswahl Stahl Eigenschaften und Bezeichnung Bezeichnung nach europäischer Norm (DIN EN 10027) Kurznamen der Gruppe Kurznamen der Gruppe Werkstoffnummern Werkstoffnummern nach DIN Werkstoffnummern nach DIN EN Charakterisierung und Namen einiger Stähle Baustähle Einsatzstähle Vergütungsstähle Nitrierstähle Sonderstähle Gusseisen Eigenschaften und Bezeichnung Nichteisenmetalle Keramik Polymere Zusammenfassung und Relativkosten der Werkstoffe Gestaltung von Maschinenteilen Begriffsbestimmungen Maschine Gestalten Voraussetzungen Einflussgrößen Wertanalyse Gestaltungslehre Einführung Vorgaben Konstruktionsstrategien Bauteilsicherheit Selbsthilfe Aufgabenteilung Kraft- und Energieführung Gestaltungsrichtlinien Betriebsbedingungen Werkstoff Herstellung Verwendung

10 Inhaltsverzeichnis Wartung Sicherheit Vorschriften Verwertung Bausysteme Ausführungssysteme Arbeitstechnik Fertigungsunterlagen Kennzeichnung Zusammenfassung Bauteilfestigkeit Grundlagen Zugspannungen Druckspannungen Flächenpressungen Schub Biegung Torsion Mehrachsiger Spannungszustand Allgemeines Gestaltänderungsenergie-Hypothese (v. Mises) (GEH) Normalspannungshypothese (NH) Schubspannungshypothese (Tresca) (SH) Weitere Spannungshypothesen bzw. Versagenskriterien Beispiel Dauerfestigkeit Lastfälle Werkstoffkennwerte Dauerfestigkeitsschaubild (DFS) Oberflächeneinfluss Größeneinfluss Kerbwirkung Betriebsfestigkeit Instabilitätsfall: Knicken Achsen und Wellen Verformung von Balken Beispiel Schweißverbindungen Merkmale und Anwendung von Schweißverbindungen Schweißeignung von Werkstoffen Metalle Kunststoffe Schweißzusatzwerkstoffe Festigkeit und Berechnung von Schweißverbindungen Gestaltung von Schweißverbindungen

11 10 Inhaltsverzeichnis 7.5 Schweißverfahren Zeichnerische Darstellung von Schweißverbindungen Nahtarten und Nahtsymbole Anordnung der Schweißnahtsymbole Bemaßung der Schweißverbindungen Zusatzangaben Lötverbindungen Merkmale und Anwendung von Lötverbindungen Werkstoffe Löteignung von Werkstoffen Lote Flussmittel Festigkeit von Lötverbindungen Gestaltung von Lötverbindungen Lötverfahren Zeichnerische Darstellung von Lötverbindungen Stoßarten Nahtarten Klebverbindungen Einführung Grundlagen der Klebtechnik Zusatznutzen durch Kleben Klebstoffe Einteilung der Klebstoffe Epoxid-Klebstoffe Polyurethan-Klebstoffe Acrylat-Klebstoffe Phenolharze PVC-Klebstoffe Klebgerechtes Konstruieren Vorbehandlung der Fügeteile Fertigungstechnik Kleben Eigenschaften der Klebverbindungen Prüfen von Klebverbindungen Berechnung von Klebverbindungen Kleben in Kombination mit anderen Fügeverfahren Vergleich der verschiedenen Fügeverfahren Anwendungen in der Praxis Zukunftsaussichten Nietverbindungen Grundlagen Nietformen und Nietwerkstoffe Herstellung einer Vollnietverbindung Gestaltung der Verbindung Berechnung Blindnietverbindungen

12 Inhaltsverzeichnis Stanznietverbindungen Anwendungen Verbindungen im Stahlbau Verbindungen im Leichtbau Verbindungen im Automobilbau Clinchverbindungen Grundlagen Formen der Clinchverbindung Herstellung einer Clinchverbindung Konventionelles Clinchen Taumelclinchen Flachpunktclinchen Gestaltung einer Clinchverbindung Anwendungen Verbindungen im Leichtbau Verbindungen im Automobilbau Pressverbände Grundlagen Herstellverfahren Längspressverband Querpressverbände Druckölverband Berechnung Grundlagen Rein elastischer Pressverband Elastisch-plastischer Pressverband Einpresskraft und Fügetemperaturen Gestaltung Formschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen Grundlagen Mittelbare Formschlussverbindungen Passfederverbindung Stiftverbindung Unmittelbare Formschlussverbindungen Keil- und Zahnwellenverbindungen Polygonverbindungen Querstiftverbindungen Längsstiftverbindungen Schraubenverbindungen Schrauben und Muttern Herstellung von Schrauben und Muttern Warmbehandlung Normung Qualität Zeichnungs- und Kaltformteile

13 12 Inhaltsverzeichnis 14.3 Auslegung und Berechnung von Schraubenverbindungen Grobe Kalkulation Genaue Berechnung einer Schraubenverbindung Verhalten von Schraubenverbindungen unter Belastungen Montage von Schraubenverbindungen Anziehverfahren Anziehen von Hand Anziehen mit Drehmomentschlüsseln Motorische Anziehverfahren Sichern von Schraubenverbindungen Lockern und Losdrehen von Schraubenverbindungen Lockern durch Setzen der Schraubenverbindung Relativbewegungen zwischen den verspannten Teilen Die Mechanik des selbsttätigen Losdrehens Losdrehverhalten verschiedener Sicherungselemente und -systeme Bewertung der Wirksamkeit im Vergleich Unwirksame Unterlegelemente Verliersicherungen Losdrehsicherungen Einfluss dieser Erkenntnisse auf die Normung Korrosionsgeschützte Verbindungselemente Korrosionsprüfung Korrosionsschutz durch Oberflächenbehandlungen Nichtmetallische Schutzschichten Galvanische schutzschichten Mechanisches Verzinken Zinklamellenüberzüge Feuerverzinkte Schrauben und Muttern Schraubenverbindungen für spezielle Anwendungen HV-Schraubenverbindungen Gewindefurchende Schrauben Schadensfälle an Schraubenverbindungen Metallfedern Einleitung Grundlagen Federkennlinie Federrate Federarbeit Hysterese Relaxation Werkstoffe Federstahldraht nach EN Ventilfederdraht nach EN Nichtrostender Federstahl Nichteisenmetalle Kupferlegierungen

14 Inhaltsverzeichnis Nickellegierungen Titanlegierungen Einfluss der Arbeitstemperatur Verhalten bei erhöhten Arbeitstemperaturen Verhalten bei tiefen Betriebstemperaturen Berechnung Federsysteme Parallelschaltung Reihenschaltung Mischschaltung Druckfedern Allgemeines Berechnung zyklischer Druckfedern Zugfedern Allgemeines Berechnung von Zugfedern Drehfedern (Schenkelfedern) Allgemeines Berechnung von Drehfedern Tellerfedern Allgemeines Berechnung von Einzeltellerfedern Kombination von Einzeltellerfedern Grundlagen der Verzahnung Grundlagen Bezeichnungen Grundformen Verzahnung Verzahnungsgesetz Evolventenverzahnung Geometrie von Zahnrädern Null-Außenverzahnung Planverzahnung, Bezugsprofil Null-Schrägverzahnung Profilverschiebung Geometrische Grenzen Profilüberdeckung Gestaltung und Tragfähigkeit der Stirnräder Zahnkräfte Reibung, Wirkungsgrad, Übersetzung Tragfähigkeit Zahnfußtragfähigkeit der Stirnräder Grübchentragfähigkeit der Stirnräder Getriebetechnik Industrielle Antriebstechnik Standardgetriebe

15 14 Inhaltsverzeichnis Getriebetypen Koaxialgetriebe Parallelwellengetriebe Winkelgetriebe Mechanisches Verstellgetriebe Getriebeauslegung Getriebegehäuse Zahnräder Wellen und Lager Schmierung Servogetriebe Wichtige Definitionen der Servotechnik Verdrehspiel Verdrehsteifigkeit Servoplanetengetriebe Servowinkelgetriebe Berechnung und Projektierung von Servogetrieben Industriegetriebe Zugmittelgetriebe Ketten Aufbau von Rollenketten Langgliedrige Rollenketten Aufbau von Zahnketten Kettenräder Verzahnung, Abmessungen Werkstoffe Triebstockverzahnung Kettenspanner und Kettenführungen Auslegung von Kettengetrieben Kinematik des Kettengetriebes Dynamik des Kettengetriebes Geometrie des Kettengetriebes Berechnung der Kettenlänge Berechnung des Achsabstandes Bestimmende Faktoren der Lebensdauer von Kettengetrieben Einflüsse veränderlicher Parameter Wartungsarme Ketten Zugmittelgetriebe Flachriemen Definition Aufbau von Flachriemen Auslegung von Flachriemen Typische Anwendungen von Flachriemen Zugmittelgetriebe Keil- und Keilrippenriemen Funktion und Betriebsverhalten Grundlagen der Drehmomentübertragung Produktübersicht