TUD-MB MM II Die neue Maschinenelemente- Lehre Prof. Dr.-Ing. H. Birkhofer Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann Vorlesung Maschinenelemente und Mechatronik II GEBEOP.CDR Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. H. Birkhofer Produktentwicklung und Maschinenelemente Magdalenenstr. 4, 64289 Darmstadt Tel: 06151-16 2155 - email: birkhofer@pmd.tu-darmstadt.de SKRIPTDECK.DOC
Skripte im Shaker Verlag H. Birkhofer, R. Nordmann Maschinenelemente und Mechatronik II 3. überarbeitete Auflage Shaker Verlag Aachen 2008
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TUD-MB ME II Inhaltsverzeichnis Prof. Dr.-Ing. H. Birkhofer Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 9 Mechanische Maschinenelemente... 1 10 Mechanische Bauteile... 2 10.1 Generelle Gestaltungshinweise... 2 10.1.1 Anforderungen an Bauteile aus dem Produktlebenslauf... 2 10.1.2 Bauteilgestalt und Bauteilwerkstoff... 2 10.1.3 Die Grundregeln beim Gestalten... 3 10.2 Funktionsgerechtes Gestalten von Bauteilen... 5 10.2.1 Bauweisen für die Bauteilgestaltung... 6 10.2.2 Kraftflussgerecht Gestalten... 7 10.2.3 Beanspruchungsger. Gestalten von Bauteilen mit hoher Steifigkeit.. 11 10.2.4 Verformungsgerechtes Gestalten von Bauteilen... 19 10.3 Fertigungsgerechtes Gestalten von Bauteilen... 19 10.3.1 Grundsätzliches Vorgehen... 21 10.3.2 Fertigungsgerechtes Gestalten von Gussteilen... 25 10.3.3 Fertigungsgerechtes Gestalten von Schweißteilen... 33 10.3.4 Fertigungsgerechtes Gestalten spanend bearbeiteter Bauteile... 38 10.3.5 Fertigungsgerechtes Gestalten von Blechteilen (Stanz-Biegeteile)... 44 10.4 Beanspruchungsgerechtes Auslegen von Bauteilen... 47 10.4.1 Aufgaben der Festigkeitsberechnung... 47 10.4.2 Grundlagen der Festigkeitsberechnung... 52 10.4.3 Werkstoffverhalten und Werkstoffeigenschaften... 62 10.4.4 Nachweis der statischen Festigkeit mit Nennspannungen... 65 10.4.5 Nachweis der statischen Festigkeit mit Vergleichsspannungen... 76 10.4.6 Nachweis für die Schwingfestigkeit... 79 10.5 Festlegen von Bauteiltoleranzen... 96 10.5.1 Geometrieabweichungen... 96 10.5.2 Festlegen von Toleranzen... 99 10.6 Festlegen von Oberflächenangaben... 107 11 Bauteilkopplungen... 113 11.1 Geometrie von Bauteilkopplungen-Passungen... 114 11.1.1 Grundlagen... 114 11.1.2 Passungsarten... 117 11.1.3 Das Passungssystem nach DIN ISO 286... 118 11.1.4 Empfehlungen zur Passungsauswahl... 123 11.1.5 Doppelpassungen... 125 11.2 Beanspruchung von Bauteilkopplungen durch Normalkräfte... 126 11.2.1 Flächenpressung bei Flächenberührung mit ebenen Wirkflächen... 127 11.2.2 Flächenpressung bei Flächenberührung mit gekrümmten Flächen.. 128 11.2.3 Flächenpressung bei Punkt- oder Linienberührung... 128 11.3 Kinematik von Bauteilkopplungen... 134
II 11.4 Beanspruchung von Bauteilkopplungen durch Normal- und Reibkräfte.. 134 11.4.1 Reibung in Bauteilkopplungen... 135 11.4.2 Wirkungen von Reibung... 141 11.4.3 Reibungszustände... 144 11.4.4 Schmierung von tribotechnischen Systemen... 145 11.5 Schlussarten in Bauteilkopplungen... 150 12 Verbindungen (inkl. Welle-Nabe Verbindungen)... 154 12.1 Überblick und Funktionen von Verbindungen... 154 12.2 Systematik von Verbindungen... 156 12.2.1 Unterscheidung nach dem Wirkprinzip... 156 12.2.2 Unterscheidung nach dem Aufbau... 161 12.2.3 Konstruktionskatalog Verbindungen... 162 12.2.4 Auswahl von Verbindungen... 164 12.3 Stoffschlüssige Verbindungen... 165 12.3.1 Schweißverbindungen... 165 12.3.2 Lötverbindungen... 172 12.3.3 Klebverbindungen... 176 12.4 Formschlüssige Verbindungen... 183 12.4.1 Nietverbindungen... 185 12.4.2 Bolzen- und Stiftverbindungen... 191 12.4.3 Formschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen... 197 12.5 Reibkraftschlüssige Verbindungen... 210 12.5.1 Beanspruchung von Welle und Nabe... 212 12.5.2 Übersicht... 218 12.5.3 Pressverbände (Presssitze)... 218 12.5.4 Klemmverbindungen (Klemmsitze)... 226 12.5.5 Spannelementverbindungen... 228 12.6 Schraubenverbindungen... 236 12.6.1 Beispiele... 236 12.6.2 Beschreibung... 236 12.6.3 Modelle und Berechnung... 237 12.6.4 Montagebeanspruchungen... 258 12.6.5 Betriebsbeanspruchungen... 259 12.6.6 Gestaltungshinweise... 261 12.6.7 Werkstoffhinweise:... 262 12.6.8 Varianten:... 263 13 Federungen und Dämpfer... 271 13.1 Unterscheidungen von Federungen und Dämpfern... 271 13.2 Überblick und Funktionen von Federungen... 272 13.2.1 Definition... 272 13.2.2 Aufgaben... 272 13.2.3 Eigenschaften... 273 13.2.4 Systematik... 274
III 13.3 Überblick und Funktionen von Dämpfern... 276 13.3.1 Definition... 276 13.3.2 Aufgaben... 276 13.3.3 Eigenschaften... 277 13.3.4 Systematik... 281 13.4 Kombination von Federungen und Dämpfern... 282 13.5 Elastische Federungen... 283 13.5.1 Metallfedern... 285 13.5.2 Elastomerfedern... 307 13.6 Pneumatische Federn (Gasfedern)... 313 13.6.1 Vorwiegend elastische Gasfedern... 316 13.6.2 Gasfedern mit ausgeprägter Dämpfung... 316 13.7 Reine Dämpfer... 317 13.7.1 Fluiddämpfer mit viskoser Reibung... 317 13.7.2 Wirbelstromdämpfer... 318 14 Nichtschaltbare Wellenkupplungen... 320 14.1 Überblick über nichtschaltbare Kupplungen... 320 14.2 Systematik nichtschaltbarer Kupplungen... 321 14.2.1 Unterscheidung nach der Funktion... 321 14.2.2 Unterscheidung nach dem Wirkprinzip... 323 14.2.3 Systematik: Nichtschaltbare Kupplungen... 324 14.3 Starre Kupplungen (Wellenverbindungen)... 325 14.3.1 Reibkraftschlüssige Kupplungen... 325 14.3.2 Formschlüssige Kupplungen... 327 14.4 Ausgleichskupplungen... 329 14.4.1 Gelenkkupplungen... 329 14.4.2 Ausgleichkupplungen mit elastischen Elementen... 335 14.5 Elastische Kupplungen... 336 14.5.1 Elastische Kupplungen mit Metallfedern... 337 14.5.2 Elastische Kupplungen mit Elastomerfedern... 339 14.6 Auswahl von nichtschaltbaren Wellenkupplungen... 343 15 Lagerungen und Führungen... 344 15.1 Überblick und Funktionen von Lagerungen und Führungen... 344 15.2 Systematik von Lagerungen und Führungen... 345 15.2.1 Unterscheidung nach der Funktion... 345 15.2.2 Unterscheidung nach dem Wirkprinzip... 350 15.3 Wälzlagerungen... 351 15.3.1 Überblick Wälzlagerungen... 351 15.3.2 Aufbau, Bauformen und Bezeichnungen... 352 15.3.3 Aufbau, Bauformen und Bezeichnungen... 357 15.3.4 Werkstoffe (Ringe, Wälzkörper, Käfige)... 357 15.3.5 Reibungswiderstand und Drehzahlgrenzen... 360 15.3.6 Wälzlageranordnung... 363
IV 15.3.7 Lebensdauerberechnung... 369 15.3.8 Wälzlagereinbau und Befestigung... 373 15.3.9 Vor- und Nachteile der Wälzlagerung... 375 15.3.10 Dichtungen für Wälzlager... 376 15.4 Gleitlagerungen... 377 15.4.1 Allgemeines... 377 15.4.2 Festkörperreibungslager... 380 15.4.3 Mischreibungslager... 381 15.4.4 Hinweise zur Gestaltung von Lagern mit Trocken- oder mit Mangelschmierung... 381 15.4.5 Hydrodynamische Gleitlager... 382 15.4.6 Hydrostatische Gleitlager... 395 15.4.7 Einsatz von Gleitlagern... 396 16 Dichtungen... 399 16.1 Überblick und Funktionen von Dichtungen... 399 16.2 Systematik... 400 16.3 Statische Dichtungen... 402 16.3.1 Stoff- und formschlüssige Dichtungen (nicht lösbar)... 402 16.3.2 Lösbare Dichtungen mit Dichtwirkung über Flächenpressungen... 402 16.4 Dynamische Dichtungen mit berührender Gleitpaarung... 408 16.4.1 Dichtungen mit linienartiger Dichtgeometrie... 408 16.4.2 Ringdichtungen mit linienartiger oder flächiger Dichtgeometrie... 415 16.4.3 Dichtungen mit flächiger Dichtgeometrie... 416 16.5 Dynamische Dichtungen mit berührungsloser Gleitpaarung... 420 16.5.1 Spaltdichtungen... 420 16.5.2 Labyrinthdichtungen... 421 17 Literatur... 424
V Allgemein verwendete und wiederkehrende Symbole Symbol Benennung c Steifigkeit d (Innen-) Durchmesser f Schwingfrequenz h Höhe l Länge m Masse p Druck p HERTZ sche Flächenpressung r Radius s (Blech-) Dicke v Geschwindigkeit A (Querschnitts-) Fläche D (Außen-) Durchmesser E Energie E Elastizitäts-Modul (E-Modul) F Kraft G Schubmodul I y, I z Flächenträgheitsmoment M B Biegemoment M T Torsionsmoment P Leistung R e Fließgrenze, Streckgrenze R m Zugfestigkeit R p0,2 0,2-Dehngrenze S Sicherheitsfaktor T Torsionsmoment W b Biegewiderstandmoment W t Torsionswiderstandmoment Wirkungsgrad Reibungszahl Dichte Reibungswinkel Spannung a Axialspannung d Druckspannung r Radialspannung t Tangentialspannung z Zugspannung
VI 0 Schub-/ Scherspannung Kreisfrequenz Eigenkreisfrequenz