Maschinenelemente. Horst Haberhauer Ferdinand Bodenstein. Gestaltung, Berechnung, Anwendung. 15., bearbeitete Auflage

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1 Springer-Lehrbuch

2 Horst Haberhauer Ferdinand Bodenstein Maschinenelemente Gestaltung, Berechnung, Anwendung 15., bearbeitete Auflage Mit 520 Abbildungen und 118 Tabellen 3

3 Professor Dr.-Ing. Horst Haberhauer Fachhochschule Esslingen Hochschule für Technik Fachbereich Maschinenbau Kanalstraße Esslingen Ferdinand Bodenstein isbn Auflage Springer Berlin Heidelberg New York isbn Auflage Springer Berlin Heidelberg New York Bibliographische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliographische Daten sind im Internet über abrufbar. Dieses Werk ist urheberreichtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1905, 1913, 1920, 1922, 1930, 1951, 1956, 1968, 1979, 1996, 2001, 2003, 2005, 2007 and 2009 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. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. din, vdi, vde) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Fotosatz-Service Köhler GmbH, Würzburg Herstellung: le-tex publishing services ohg, Leipzig Umschlaggestaltung: WMXDesign, Leipzig, Germany Gedruckt auf säurefreiem Papier 7/3100/YL

4 Vorwort zur 15. Auflage Neue Normen, Berechnungsvorschriften und Literatur erfordern eine ständige Aktualisierung des vorliegenden Lehrbuches. Großer Wert wurde darauf gelegt, das komplexe Stoffgebiet der Maschinenelemente zum einen kompakt und praxisnah, aber dennoch theoretisch fundiert und gut verständlich darzustellen. So bildet dieses Lehrbuch ein stabiles Fundament für die Vertiefung in Spezialgebiete. Rezepthaftes Anwenden von Beispielen und Formeln sind bei der Lösung ingenieurspezifischer Probleme nicht zu empfehlen. Daher wurde bewußt auf die Darstellung fertiger Gleichungen verzichtet. Es wurde versucht, bei allen Berechnungen die Entstehung sowie die Voraussetzungen und die Gültigkeitsbereiche der Berechnungsgleichungen aufzuzeigen. Ohne die Kenntnis der physikalischen Grundlagen und der Berechnung zugrunde liegenden Rechenmodelle sowie die dafür notwendigen, meist vereinfachenden Annahmen, ist eine ingenieurmäßige Problemlösung in der Regel nicht möglich. Auch für die Anwendung und Interpretation der Ergebnisse von Berechnungsprogrammen, die heute aus den Konstruktionsbüros nicht mehr wegzudenken sind, ist ein solides Grundlagenwissen unbedingt erforderlich. Für die 15. Auflage wurden Normen aktualisiert, einige Textstellen im Hinblick auf bessere Verständlichkeit und Eindeutigkeit überarbeitet (z.b. Biegeschwingungen bei Wellen) sowie einige Kapitel erweitert. So wurde die Tabelle 1.16 neu eingefügt, aus der die erreichbaren Toleranzen, abhängig vom Fertigungsverfahren, angegeben sind. Das Nieten wurde um das Durchsetzfügen, das in der Serienfertigung von Blechverbindungen immer größere Bedeutung erlangt, ergänzt. Die Klemmverbindungen wurden überarbeitet und die Spannexzenter neu aufgenommen, da in der Literatur bisher keine Berechnungsmodelle bezüglich der Exzenterkräfte vorliegen. Ebenso wurden die Bremsen im Kapitel Kupplungen erweitert. Dem Springer-Verlag danke ich für die gute Zusammenarbeit bei der Herstellung dieses Buches. Vielen Dank für konstruktive Kritik, insbesondere meinem Kollegen Roland Mastel für wertvolle Anregungen und Diskussionen. Hinweise auf Druck- und Verständnisfehler sowie eventuellen Ergänzungen nehme ich auch in Zukunft gerne entgegen. Esslingen, im Sommer 2008 Horst Haberhauer

5 VI Vorwort zur 15. Auflage Wichtiger Hinweis: Über die Homepage des Springer-Verlages ( kommen Sie zur Website des vorliegenden Buches. Dort finden Sie Ergänzungen zum Thema Maschinenelemente (z.b. eine Formelsammlung und mehr), die Sie kostenlos herunterladen können.

6 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen Definition der Maschinenelemente Konstruieren Definition des Begriffs Konstruieren Konstruktionsprozeß Rechnerunterstütztes Konstruieren Das Gestalten Funktions- und anforderungsgerechtes Gestalten Beanspruchungsgerechtes Gestalten Festigkeitsgerechtes Gestalten (Dimensionierung) Werkstoffgerechtes Gestalten Herstellgerechtes Gestalten Recyclinggerechtes Gestalten Zeitgerechtes Gestalten (Formschönheit) Normung Grundlagen der Normung Normen und ihre rechtliche Bedeutung Normzahlen (NZ) Toleranzen und Passungen Technische Oberflächen Verbindungselemente Schweißverbindungen Schweißverfahren Schweißbarkeit Schweißnahtgüte Schweißstoß und Schweißnaht; Zeichnerische Darstellung Berechnen von Schweißverbindungen Gestalten von Schweißverbindungen Lötverbindungen Lote, Lötverfahren und Anwendungen Berechnen von Lötverbindungen Gestalten von Lötverbindungen

7 VIII Inhaltsverzeichnis 2.3 Klebeverbindungen Klebstoffe Berechnen von Klebeverbindungen Gestalten von Klebeverbindungen Reibschlußverbindungen Keilverbindungen Kegelsitz Konische Spannelementverbindungen Verbindungen mit federnden Zwischengliedern Preßverbindungen (Zylindrische Preßverbände) Klemmverbindungen Formschlußverbindungen Paß- und Scheibenfederverbindungen Profilwellenverbindungen Bolzen- und Stiftverbindungen Elemente zur axialen Lagesicherung Nietverbindungen Herstellung und Gestaltung von Nietverbindungen Berechnen von Nietverbindungen Durchsetzfügen (Clinchen) Schraubenverbindungen Definition der Schraube; Bestimmungsgrößen Gewindearten Genormte Schrauben, Muttern und Unterlegscheiben Werkstoffe und Festigkeitswerte Berechnen von Schraubenverbindungen Verspannungsschaubild Gewindekräfte und -momente Spannungen in Schraubenverbindungen; Bemessungsgrundlagen Schraubensicherungen Gestalten von Schraubenverbindungen Bewegungsschraube Elastische Verbindungen (Federn) Kennlinie; Arbeit; Dämpfung; allgemeine Dimensionierungsgrundlagen Federschaltungen Metallfedern Gummifedern

8 Inhaltsverzeichnis IX 3 Dichtungen Dichtungen zwischen ruhenden Bauteilen Unlösbare Dichtungen Bedingt lösbare Dichtungen Lösbare Dichtungen Dichtungen zwischen bewegten Bauteilen Berührungsdichtungen Berührungslose Dichtungen Hermetische Dichtungen Elemente der drehenden Bewegung Achsen Wellen Bemessung auf Tragfähigkeit Bemessung auf Verformung Dynamisches Verhalten Wellengestaltung Sonderausführungen Lager Gleitlager Schmierstoffe: Eigenschaften, Arten und Zuführung Druck-, Geschwindigkeits- und Reibungsverhältnisse im Tragfilm Mischreibung und Übergangsdrehzahl Wellen- und Lagerwerkstoffe Gestaltung Wälzlager Radiallager Axiallager Lagerbezeichnung Lagerberechnung Gestaltung von Wälzlagerungen Kupplungen Starre Kupplungen Bewegliche Kupplungen (Ausgleichskupplungen) Elastische Kupplungen Formschlüssige Schaltkupplungen Fremdbetätigte Schaltkupplungen Momentbetätigte Schaltkupplungen Richtungsbetätigte Schaltkupplungen

9 X Inhaltsverzeichnis Kraftschlüssige Schaltkupplungen (Reibungskupplungen) Fremdbetätigte Reibungskupplungen Momentbetätigte Reibungskupplungen Drehzahlbetätigte Reibungskupplungen Richtungsbetätigte Reibungskupplungen Bremsen Elemente der geradlinigen Bewegungen Paarung von ebenen Flächen Führungen mit Gleitlagerungen Führungen mit Wälzlagerungen Rundlingspaarungen Gleitende Rundlingspaarungen Rundführungen mit Wälzlagerungen Elemente zur Übertragung gleichförmiger Drehbewegungen Stirnradgetriebe Verzahnungsgeometrie geradverzahnter Stirnräder Allgemeines Verzahnungsgesetz Verzahnungsarten Bezugsprofil und Herstellung Unterschnitt und Grenzzähnezahl Profilverschiebung Zahnradpaarung Innenverzahnung Verzahnungsgeometrie schrägverzahnter Stirnräder Grundbegriffe und -beziehungen Paarungen schrägverzahnter V-Räder Verzahnungstoleranzen Kräfte und Momente Grundlagen der Tragfähigkeitsberechnung (DIN 3990) Allgmeine Faktoren Zahnfußtragfähigkeit Flankentragfähigkeit Auslegung und Gestaltung Kegelradgetriebe Verzahnungsgeometrie geradverzahnte Kegelräder Kegelräder mit Schräg- und Bogenverzahnung Kräfte am Kegelrad Tragfähigkeitsberechnung (DIN 3991) Schraubradgetriebe Verzahnungsgeometrie von Schraubenräder

10 Inhaltsverzeichnis XI Kräfteverhältnisse und Wirkungsgrad Bemessungsgrundlagen Schneckengetriebe Flankenformen der Zylinderschnecken Verzahnungsgeometrie Kräfteverhältnisse und Wirkungsgrad Empfehlungen für die Bemessung Lagerkräfte und Beanspruchungen der Schneckenwelle Gestaltung Umlaufgetriebe Drehzahlen und Übersetzungen Kräfte, Momente und Leistungen Kegelrad-Umlaufgetriebe Reibradgetriebe Werkstoffpaarungen und Berechnungsgrundlagen Reibradgetriebe mit konstanter Übersetzung Reibradgetriebe mit stufenlos verstellbarer Übersetzung Formschlüssige Zugmitteltriebe Kettentriebe Zahnriementriebe Kraftschlüssige Zugmitteltriebe (Riementrieb) Theoretische Grundlagen Bandkräfte und -spannungen Einfluß der Fliehkraft Biegespannung und Biegefrequenz Gesamtspannung und optimale Bandgeschwindigkeit Folgerungen aus den theoretischen Betrachtungen Bauarten für konstante Übersetzungen Flachriementriebe Keilriementrieb Bauarten für stufenlos verstellbare Übersetzungen Anhang A1 Werkstoffkennwerte A2 Wälzlagerabmessungen A3 Flächen- und Widerstandsmomente A4 SI-Einheiten A5 Griechisches Alphabet Literaturverzeichnis Stichwortverzeichnis