Feinmechanische Bauelemente Prof. Dr.-Ing. Siegfried Hildebrand Sektion Elektronik-Technologie und Feingerätetechnik der Technischen Universität Dresden 4., bearbeitete Auflage VEB VERLAG TECHNIK BERLIN
Inhaltsverzeichnis 0. Zur allgemeinen Einführung 17 1. Allgemeine konstruktive Grundlagen der Feingerätetechnik 20 1.1. Feingerätetechnik - Feinmechanische Bauelemente 20 1.2. Konstruieren - Entwerfen - Gestalten - Entwickeln 21 1.3. Grundsätze für die Konstruktionsarbeit 22 1.3.1. Konstruiere funktionsgerecht! 22 1.3.2. Konstruiere werkstoffgerecht! 23 1.3.3. Gestalte fertigungsgerecht! 23 1.3.4. Gestalte form- und farbschön! 23 1.3.5. Konstruiere wirtschaftlich! 24 1.3.6. Ergänzende Konstruktionsgrundsätze 26 Literatur zu den Abschnitten 1.1. bis 1.3 26 1.4. Festigkeitsberechnungen 28 1.4.1. Einleitung und Bezeichnungen 28 1.4.2. Voraussetzungen 29 1.4.3. Das Hookesche Gesetz 29 1.4.4. Berechnung der Nennspannungen 30 1.4.4.1. Beanspruchung durch Kräfte 30 1.4.4.2. Beanspruchung durch Momente 37 1.4.4.3. Zusammengesetzte Beanspruchung 47 1.4.5. Werkstoffbelastbarkeit 49 1.4.5.1. Belastungsfälle 49 1.4.5.2. Werkstoffestigkeit 50 1.4.5.3. Zulässige Spannungen 52 Literatur zu Abschnitt 1.4 54 1.5. Vorzugszahlen und -maße 55 1.5.1. Vorzugszahlen 56 1.5.2. Vorzugsmaße 60 Literatur zu Abschnitt 1.5 60 1.6. Toleranzen und Passungen 60 1.6.1. Toleranzen 61 1.6.1.1. Grundbegriffe nach ISO 61 1.6.1.2. Größe der Toleranzfelder nach ISO 62 1.6.1.3. Lage der Toleranzfelder nach ISO 63 1.6.1.4. Maße ohne Toleranzangabe und freitolerierte Maße 64 1.6.1.5. Lagetoleranzen 70 1.6.1.6. Formtoleranzen 70 1.6.1.7. Oberflächengüte und erreichbare Genauigkeit 72 1.6.2. Passungen 75 1.6.2.1. Grundbegriffe 76
Inhaltsverzeichnis 9 1.6.2.2. Passungsauswahl 79 1.6.2.3. Toleranzketten 79 1.6.2.4. Statistische Verteilung von Toleranzen und Passungen 85 Literatur zu Abschnitt 1.6 87 Werkstoff-Übersicht 88 1.7.1. Wahl des Werkstoffs 88 1.7.2. Werkstoff-Übersicht 89 1.7.2.1. Werkstoffe 89 1.7.2.2. Anlieferformen der Werkstoffe 95 Literatur zu Abschnitt 1.7 97 Technische Formgebung 98 1.8.1. Einleitung 98 1.8.2. Allgemeine Empfehlungen zur Formgestaltung 100 Literatur zu Abschnitt 1.8 100 Systematik der Konstruktionsarbeit 101 1.9.1. Einleitung 101 1.9.2. Die Konstruktionssystematik von Bischoff und Hansen 102 1.9.2.1. Aufgabenstellung 102 1.9.2.2. Grundprinzip 103 1.9.2.3. Technische Prinzipe 104 1.9.2.4. Verbesserte technische Prinzipe 105 1.9.2.5. Fertigungsunterlagen 107 1.9.3. Beispiel 107 Literatur zu Abschnitt 1.9 112 Verbindungselemente 114 Übersicht 114 Verbindungen durch stoffliche Veränderungen 116 2.2.1. Lötverbindungen 116 2.2.1.1. Definition und Eigenschaften 116 2.2.1.2. Lötverfahren, Eigenschaften und Anwendung 117 2.2.1.3. Werkstoffe, Lote und Flußmittel 121 2.2.1.4. Berechnung der Lötverbindung 127 2.2.1.5. Gestaltung der Lötverbindung 127 Literatur zu Abschnitt 2.2.1 132 2.2.2. Schweißverbindungen 133 2.2.2.1. Definition und Eigenschaften 133 2.2.2.2. Schweißverfahren, Eigenschaften und Anwendung 133 2.2.2.2.1. Metallschweißverfahren 133 2.2.2.2.2. Plastwerkstoffschweißverfahren 139 2.2.2.2.3. Glasschweißverfahren 141 2.2.2.3. Berechnung der Schweißverbindung 142 2.2.2.4. Gestaltung der Schweißverbindung 143 2.2.2.4.1. Metallschweißen 143 2.2.2.4.2. Plastwerkstoffschweißen 155 2.2.2.4.3. Glasschweißen - Gestaltungsregeln 156 Literatur zu Abschnitt 2.2.2 156 2.2.3. Klebverbindungen 158 2.2.3.1. Definition und Eigenschaften 158
10 Inhaltsverzeichnis 2.2.3.2. Klebstoffe 159 2.2.3.3. Berechnung der Klebverbindung 160 2.2.3.4. Gestaltung der Klebverbindung 160 Literatur zu Abschnitt 2.2.3 162 2.2.4. Kittverbindungen 164 2.2.4.1. Definition und Eigenschaften 164 2.2.4.2. Kitte 164 2.2.4.3. Gestaltung der Kittverbindung 164 Literatur zu Abschnitt 2.2.4 166 2.2.5. Verbindungen durch Einschmelzen 166 2.2.5.1. Einschmelzungen in Metall 166 2.2.5.2. Einschmelzungen in Glas 166 Literatur zu Abschnitt 2.2.5 167 2.2.6. Einbettungen 167 2.2.6.1. Definition und Eigenschaften 167 2.2.6.2. Gestaltung der Einbettungen 167 2.2.6.3. Werkstoffe 170 Literatur zu Abschnitt 2.2.6 173 2.3. Verbindungen durch plastische Verformung 173 2.3.1. Nietverbindungen 173 2.3.1.1. Definition und Eigenschaften 174 2.3.1.2. Nietformen und Nietverfahren 174 2.3.1.3. Berechnung der Nietverbindung 177 2.3.1.4. Gestaltung der Nietverbindung 178 Literatur zu Abschnitt 2.3.1 184 2.3.2. Bördelverbindungen 185 2.3.2.1. Definition und Eigenschaften 185 2.3.2.2. Gestaltung der Bördelverbindung 186 Literatur zu Abschnitt 2.3.2 187 2.3.3. Sickenverbindungen 188 2.3.3.1. Definition und Eigenschaften 188 2.3.3.2. Gestaltung der Sickenverbindung 188 Literatur zu Abschnitt 2.3.3 189 2.3.4. Falz- und Einroll Verbindungen 189 2.3.4.1. Definition und Eigenschaften von Falzverbindungen 189 2.3.4.2. Gestaltung der Falzverbindung 190 2.3.4.3. Einrollverbindungen 190 Literatur zu Abschnitt 2.3.4 191 2.3.5. Verlappen und Verschränken 191 2.3.5.1. Definition und Eigenschaften 191 2.3.5.2. Gestaltung der Lappenverbindung 192 Literatur zu Abschnitt 2.3.5 195 2.3.6. Blechsteppverbindungen 195 2.3.6.1. Definition und Eigenschaften 195 2.3.6.2. Gestaltung der Blechsteppverbindung 196 Literatur zu Abschnitt 2.3.6 196 2.3.7. Wickelverbindungen (Umwindungen) 196 Literatur zu Abschnitt 2.3.7 197 2.4. Verbindungen durch elastische Verformung 198 2.4.1. Klemmverbindungen 198 2.4.1.1. Definition und Eigenschaften 198 2.4.1.2. Berechnung der Klemmverbindung 198
Inhaltsverzeichnis 11 2.4.1.3. Gestaltung der Klemmverbindung 199 Literatur zu Abschnitt 2.4.1 200 2.4.2. Preßverbindungen 200 2.4.2.1. Definition und Eigenschaften 200 2.4.2.2. Berechnung der Preßverbindung 202 2.4.2.3. Gestaltung der Preßverbindung 206 Literatur zu Abschnitt 2.4.2 209 2.4.3. Stift- und Keilverbindungen 210 2.4.3.1. Definition und Eigenschaften 210 2.4.3.2. Stiftformen 211 2.4.3.3. Berechnung der Stift- und Keilverbindung 212 2.4.3.4. Gestaltung der Stift- und Keilverbindung 215 2.4.3.5. Sicherung von VerStiftungen 217 2.4.3.6. Formschlußverbindungen (Paßfedern) 217 Literatur zu Abschnitt 2.4.3 219 2.4.4. Schraubenverbindungen 219 2.4.4.1. Definition und Eigenschaften 220 2.4.4.2. Gewindearten 220 2.4.4.3. Berechnung des Gewindes 221 2.4.4.4. Gestaltung der Schrauben Verbindungen 231 Literatur zu Abschnitt 2.4.4 248 2.4.5. Renkverbindungen 250 2.4.5.1. Renkverbindungen mit Sicherung durch Formschluß 250 2.4.5.2. Renkverbindungen mit Sicherung durch Kraftschluß 251 Literatur zu Abschnitt 2.4.5 251 2.4.6. Spreizverbindungen 251 2.4.6.1. Definition und Eigenschaften 251 2.4.6.2. Gestaltung der Spreizverbindung 252 Literatur zu Abschnitt 2.4.6 255 2.5. Schachtelverbindungen 255 2.5.1. Definition und Eigenschaften 255 2.5.2. Gestaltung der Schachtelverbindung 256 Literatur zu Abschnitt 2.5 257 3. Feinmechanische Funktionselemente 258 3.1. Funktionselemente - Übersicht 258 Literatur zu Abschnitt 3.1 258 3.2. Speicherelemente 260 3.2.1. Federn 260 3.2.1.1. Grundlagen und Werkstoffe 260 3.2.1.2. Biegefedern 264 3.2.1.3. Verdrehungsfedern 280 3.2.1.4. Tellerfedern 287 3.2.1.5. Gummifedern 289 3.2.1.6. Federsysteme 291 3.2.1.7. Bimetallfedern (Thermobimetalle) 294 Literatur zu Abschnitt 3.2.1 303 3.2.2. Triebgewichtsstücke 305 3.2.3. Dynamische Energiespeicher 306 3.2.3.1. Grundlagen 306
12 Inhaltsverzeichnis 3.2.3.2. Energieumwandler 309 3.2.3.3. Kinetische Energiespeicher 311 Literatur zu den Abschnitten 3.2.2. und 3.2.3 313 3.3. Führungselemente 314 3.3.1. Lagerelemente für Drehbewegungen 314 3.3.1.1. Grundlagen der Gleitlagertechnik 314 3.3.1.1.1. Lagerreibung 315 3.3.1.1.2. Lagerwerkstoff 320 Literatur zu Abschnitt 3.3.1.1 321 3.3.1.2. Radialgleitlager 322 3.3.1.2.1. Zylindrische Zapfenlager 322 3.3.1.2.2. Kegel- und kugelförmige Lagerausbildung 326 3.3.1.2.3. Kurzgleitlager 327 3.3.1.2.4. Sintermetallager 328 3.3.1.2.5. Plastwerkstofflager 329 3.3.1.2.6. Kunstkohlelager 330 3.3.1.2.7. Hochgenauigkeitsgleitlager 331 Literatur zu Abschnitt 3.3.1.2 333 3.3.1.3. Axialgleitlager 334 Literatur zu Abschnitt 3.3.1.3 335 3.3.1.4. Grundlagen der Wälzlagertechnik 336 3.3.1.4.1. Eigenschaften der Wälzlager 336 3.3.1.4.2. Reibgeschehen beim Wälzen 337 3.3.1.4.3. Werkstoffe 338 3.3.1.4.4. Belastungsverhältnisse 338 3.3.1.4.5. Kennzeichnung 342 Literatur zu Abschnitt 3.3.1.4 342 3.3.1.5. Radialwälzlager 343 3.3.1.5.1. Radial-Kugellager 343 3.3.1.5.2. Radial-Rollenlager 345 Literatur zu Abschnitt 3.3.1.5 346 3.3.1.6. Axial-Wälzlager und Lagerstellengestaltung 346 3.3.1.6.1. Axial-Kugellager 347 3.3.1.6.2. Axial-Rollenlager 348 3.3.1.6.3. Lagerstellengestaltung 348 Literatur zu Abschnitt 3.3.1.6 351 3.3.1.7. Spitzen- und Edelsteinlager 351 3.3.1.7.1. Grundlagen der Spitzenlagertechnik 352 3.3.1.7.2. Lagerarten 359 3.3.1.7.3. Lagerstellengestaltung 361 Literatur zu Abschnitt 3.3.1.7 364 3.3.1.8. Schneidenlager 365 3.3.1.8.1. Grundlagen der Schneidenlagertechnik 365 3.3.1.8.2. Gestaltung der Lagerelemente von Schneidenlagern 367 Literatur zu Abschnitt 3.3.1.8 371 3.3.1.9. Magnetisch entlastete Lager 372 3.3.1.9.1. Grundlagen der magnetischen Entlastungen 372 3.3.1.9.2. Ausführung magnetisch entlasteter Lager 376 Literatur zu Abschnitt 3.3.1.9 379 3.3.1.10. Federgelenke 379 Literatur zu Abschnitt 3.3.1.10 386 3.3.1.11. Strömungslager (Luftlager) 387 3.3.1.11.1. Grundlagen der Strömungslager 387
Inhaltsverzeichnis 13 3.3.1.11.2. Anwendungsbeispiele 393 Literatur zu Abschnitt 3.3.1.11 395 3.3.2. Lagerelemente für Längsbewegungen (Führungen) 395 3.3.2.1. Gleitführungen 396 3.3.2.2. Wälzführungen 400 3.3.2.3. Federgelenkführung 403 Literatur zu Abschnitt 3.3.2 405 3.3.3. Schmierung von Lagern 405 3.3.3.1. Schmierstoffe 406 3.3.3.1.1. Kennwerte für Schmierstoffe 406 3.3.3.1.2. Schmierstoffe und ihre Eigenschaften 408 3.3.3.2. Schmierungstechnische Probleme 412 3.3.3.2.1. Reinigung und Vorbereitung der Schmierstelle 412 3.3.3.2.2. Schmierungsverfahren 413 3.3.3.2.3. Schmierung von Gleitlagern 415 3.3.3.2.4. Schmierung von Wälzlagern 416 Literatur zu Abschnitt 3.3.3 416 3.3.4. Achsen und Wellen 417 3.3.4.1. Grundlagen 417 3.3.4.2. Gestaltung der Wellen und Achsen 421 Literatur zu Abschnitt 3.3.4 426 3.4. Wandlerelemente (Getriebe) 427 Allgemeine Literatur zu Abschnitt 3.4 427 3.4.1. Zahnräder und Zahnradgetriebe 427 3.4.1.1. Übersicht 429 3.4.1.2. Grundlagen der Verzahnung 432 3.4.1.3. Stirnradgetriebe 437 3.4.1.3.1. Übersicht 437 3.4.1.3.2. Stirnräder mit Zykloidenverzahnung 438 3.4.1.3.3. Stirnräder mit Evolventengeradverzahnung 446 3.4.1.3.4. Stirnräder mit Evolventenschrägverzahnung 458 3.4.1.4. Kegelradgetriebe 461 3.4.1.4.1. Kegelräder mit Geradverzahnung 461 3.4.1.4.2. Kegelräder mit Schräg- und Bogenverzahnung 463 3.4.1.4.3. Kronenradgetriebe 463 3.4.1.5. Schraubenradgetriebe 464 3.4.1.6. Schneckengetriebe 467 3.4.1.7. Umlaufrädergetriebe 470 3.4.1.8. Tragfähigkeitsberechnung von Zahnrädern 476 3.4.1.9. Zahnradwerkstoffe 485 3.4.1.10. Fertigung der Zahnräder 488 3.4.1.11. Konstruktive Gestaltung 495 Literatur zu Abschnitt 3.4.1 496 3.4.2. Reibradgetriebe 498 3.4.2.1. Definition und Einteilung 499 3.4.2.2. Getriebe mit konstanter Übersetzung 499 3.4.2.3. Getriebe mit stufenlos verstellbarer Übersetzung (Wechselgetriebe) 502 3.4.2.4. Wendegetriebe 506 3.4.2.5. Reibstangengetriebe 507 3.4.2.6. Werkstoffpaarung der Reibräder 508 3.4.2.7. Bemessung und Berechnung 509 Literatur zu Abschnitt 3.4.2 511 3.4.3. Zugmittelgetriebe 511
14 Inhaltsverzeichnis 3.4.3.1. Prinzipielle Ausführung und Einteilung 511 3.4.3.2. Zugmittelgetriebe mit geschmeidigen Zugmitteln 512 3.4.3.3. Zugmittelgetriebe mit gegliederten Zugmitteln (Kettenrädergetriebe) 529 Literatur zu Abschnitt 3.4.3 532 3.4.4. Schraubengetriebe 533 3.4.4.1. Keilgetriebe 533 3.4.4.2. Kinematik der Schraubengetriebe 535 3.4.4.3. Allgemeine Konstruktionshinweise für Schraubgelenke 541 Literatur zu Abschnitt 3.4.4 547 3.4.5. Koppelgetriebe 547 3.4.5.1. Aufbau und Wirkungsweise 547 3.4.5.2. Getriebe der Vierdrehgelenkkette 549 3.4.5.3. Getriebe der Schubkurbelkette 553 3.4.5.4. Getriebe der Kreuzschleifen- und Schubschleifenkette 556 3.4.5.5. Getriebe der mehrgliedrigen Kette 557 3.4.5.6. Polbahnen von Koppelgetrieben 558 3.4.5.7. Geradführungen mit Hilfe von Koppelgetrieben 559 3.4.5.8. Geschwindigkeits- und Beschleunigungsermittlung 560 3.4.5.9. Maßsynthetische Verfahren für Koppelgetriebe 562 Literatur zu Abschnitt 3.4.5 562 3.4.6. Kurven- und Wälzkurvengetriebe 563 3.4.6.1. Kurvengetriebe 563 3.4.6.2. Wälzkurvengetriebe 576 3.4.6.3. Reibkurvengetriebe 579 Literatur zu Abschnitt 3.4.6 579 3.4.7. Feinstellgetriebe 580 Literatur zu Abschnitt 3.4.7 582 3.5. Widerstands- und Kupplungselemente 582 3.5.0. Allgemeine Betrachtungen 582 3.5.1. Gesperre 585 3.5.1.1. Allgemeines, Einteilung 585 3.5.1.2. Berechnung der Gesperre 586 3.5.1.3. Konstruktionseinzelheiten 594 3.5.1.4. Konstruktionsbeispiele 594 Literatur zu Abschnitt 3.5.1 600 3.5.2. Anschläge 601 3.5.2.1. Allgemeines, Einteilung 601 3.5.2.2. Anschläge für Schub und kleine Drehungen 601 3.5.2.3. Anschläge für mehrere Umdrehungen 604 Literatur zu Abschnitt 3.5.2 609 3.5.3. Energieverbrauchende Widerstände (Bremsen und Dämpfungen) 609 3.5.3.1. Allgemeines, Einteilung 609 3.5.3.2. Bremsen 610 3.5.3.2.1. Berechnung der Bremsvorgänge 610 3.5.3.2.2. Gestaltung von Bremsen 612 Literatur zu Abschnitt 3.5.3.2 612 3.5.3.3. Dämpfungen 612 3.5.3.3.1. Allgemeines 612 3.5.3.3.2. Berechnung gedämpfter Schwingungen 613 3.5.3.3.3. Gestaltung von Dämpfungen 616 3.5.3.3.4. Berechnung und Eigenschaften spezieller Dämpfungen 617 Literatur zu Abschnitt 3.5.3.3 618
Inhaltsverzeichnis 15 3.5.4, Massewiderstände (Schwungmassen) 619 Literatur zu Abschnitt 3.5.4 620 3.5.5. Kupplungen 620 3.5.5.1. Aufgaben, Einteilung 620 3.5.5.2. Dauerkupplungen 621 3.5.5.3. Feste Kupplungen 624 3.5.5.4. Ausgleichkupplungen 628 3.5.5.5. Schaltkupplungen 634 3.5.5.5.1. Klauen- und Zahnkupplungen 635 3.5.5.5.2. Reibungskupplungen 637 3.5.5.6. Betätigungsorgane für Schaltkupplungen 642 3.5.5.7. Selbsttätige Kupplungen 646 3.5.5.8. Dauermagnetkupplungen 650 Literatur zu Abschnitt 3.5.5 653 3.6. Schaltelemente 654 3.6.1. Aufgaben und Einteilung der Schaltelemente 654 3.6.2. Schrittgetriebe (Schaltgetriebe) 656 3.6.2.1. Aufbau und Eigenschaften 656 3.6.2.2. Klinkenschaltgetriebe 657 3.6.2.3. Räderschaltgetriebe 660 3.6.2.4. Greiferschaltgetriebe 664 3.6.2.5. Schlägerschaltgetriebe 664 3.6.2.6. Magnetschaltgetriebe 665 3.6.3. Spannwerke 665 3.6.4. Sprungwerke 669 Literatur zu Abschnitt 3.6 673 3.7. Steuer- und Reglerelemente (Geschwindigkeitsgleichhalter) 674 3.7.1. Umfang des behandelten Stoffs 674 3.7.2. Regler für stetigen Ablauf (Bremsregler) 675 3.7.3. Regler für unstetigen Ablauf (Hemmregler) 682 3.7.4. Hemmregler mit Eigenschwingung 685 Literatur zu Abschnitt 3.7 688 4. Elemente des Geräteauf baus (Teil- und Gesamtfunktionen) 690 4.1. Grundlagen 690 4.2. Prinzipielle Elemente des Geräteauf baus 690 4.2.1. Innerer Geräteaufbau 690 Literatur zu Abschnitt 4.2.1 695 4.2.2. Äußerer Geräteaufbau 696 Literatur zu Abschnitt 4.2.2 699 4.3. Konstruktive Elemente des Geräteaufbaus 699 4.3.1. Werkstoffe des Geräteaufbaus 699 Literatur zu Abschnitt 4.3.1 702 4.3.2. Abmessungen von Geräteaufbauten 702 4.3.3. Schutz der Gerätefunktion 704 Literatur zu Abschnitt 4.3.3 708 4.3.4. Sicherung der Gerätefunktion " 709 Literatur zu Abschnitt 4.3.4 711 4.3.5. Gestaltung der äußeren Funktionselemente 711
16 Inhaltsverzeichnis 4.3.5.1. Bedienelemente 712 4.3.5.1.1. Bedienelemente für geradlinige Bewegung 712 4.3.5.1.2. Bedienelemente für Drehbewegungen 715 4.3.5.1.3. Bedienelemente für Schwenkbewegung 720 Literatur zu Abschnitt 4.3.5.1 720 4.3.5.2. Ablese- und Anzeigeelemente 721 4.3.5.2.1. Skalen, Maßstäbe und Koordinatennetze 72t 4.3.5.2.2. Zeiger 724 4.3.5.2.3. Mechanische Ziffernanzeigeelemente 726 4.3.5.2.4. Elektronische Ablese- und Anzeigeelemente 727 Literatur zu Abschnitt 4.3.5.2 727 4.3.5.3. Anschlußelemente 728 Literatur zu Abschnitt 4.3.5.3 731 4.3.5.4. Abdeck- und Verschlußelemente 731 Literatur zu Abschnitt 4.3.5.4 733 4.3.5.5. Befestigungs- und Hilfselemente 733 Literatur zu Abschnitt 4.3.5.5 734 4.3.5.6. Beschriftung und Oberflächen als Gestaltungselemente 734 Literatur zu Abschnitt 4.3.5.6 736 Sachwörterverzeichnis 738 -