Entwickeln Konstruieren Berechnen

Entwickeln Konstruieren Berechnen

Bernhard Fleischer Hans Theumert Entwickeln Konstruieren Berechnen Komplexe praxisnahe Beispiele mit Lösungsvarianten 5., überarbeitete Auflage

Bernhard Fleischer Berufskolleg Platz der Republik für Technik und Medien Mönchengladbach, Deutschland Hans Theumert Krefeld, Deutschland Ergänzendes Material zu diesem Buch finden Sie auf www.springer.com. ISBN 978-3-658-13591-1 DOI 10.1007/978-3-658-13592-8 ISBN 978-3-658-13592-8 (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 2007, 2009, 2012, 2015, 2016 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. 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. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Lektorat: Thomas Zipsner Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Vieweg ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH

Vorwort In der Konstruktionsabteilung eines Unternehmens entstehen ca. 10 % der Gesamtkosten des Produktionsprozesses. Gleichzeitig bestimmt deren Arbeitsergebnis aber ungefähr 75 % des wirtschaftlichen Aufwandes zur Herstellung eines neuen Produktes. Die Betrachtung von Fehlerbehebungskosten verdeutlicht die besondere wirtschaftliche Stellung der Konstruktionsabteilung: Nach der so genannten Zehnerregel des Qualitätsmanagements müssen für die Beseitigung eines Fehlers, die in der Konstruktion noch 10 Cent ausmachen würde, über die Planung, Fertigung und Rückholung beim Kunden schließlich 100 C aufgebracht werden. Das zwingt zu einer größtmöglichen Optimierung der Entwicklungen. Das systematische Abarbeiten der Konstruktionsschritte im Rahmen des Methodischen Konstruierens führt zu den geforderten optimierten Lösungen. Weiterer wesentlicher Aspekt ist die Stellung als Hochlohnland. Um in einem globalen Wettbewerb konkurrenzfähig zu bleiben, kann ein im Vergleich hoher Verkaufspreis nur über ein innovatives Produkt erzielt werden. Dies gelingt heute und in der Zukunft nicht mit Lösungen von gestern. Das Methodische Konstruieren vollzieht sich in Anlehnung an die VDI-Richtlinie 2221 in den Phasen Analysieren, Konzipieren, Entwerfen, Ausarbeiten. Die Umsetzung einer Konstruktion von den Kundenanforderungen bis hin zu Werkstattzeichnungen verlangt die Beherrschung einer großen Bandbreite technischer Disziplinen. So muss der Konstrukteur in der Analyse- und Konzeptionsphase über Kenntnisse im Bereich Entwicklungsverfahren verfügen, um sinnvolle Gestaltungsalternativen begründen und rational gegeneinander abwägen zu können. Die Entwurfsphase bedingt gefestigte Kenntnisse der technischen Mechanik. Ebenso gehört die Berechnung standardisierter Maschinenelemente wie Achsen, Wellen und Schrauben zum Repertoire des entwickelnden Konstrukteurs. Das Ausarbeiten erfordert das Beherrschen des technischen Zeichnens einschließlich eines sicheren Umgangs mit Normen unter Beachtung fertigungsgerechter Realisierungsmöglichkeiten. Zu den genannten Wissensgebieten finden sich zahlreiche Standardwerke. Jedoch sucht man vergeblich nach einem Lehrwerk, in dem exemplarisch der komplette Konstruktionsprozess dargestellt wird. Gerade mit der Komplexität des Entwicklungsprozesses und der Zergliederung in die einzelnen Fachdisziplinen ist der junge Konstrukteur häufig überfordert. Er weiß sich zwar innerhalb der einzelnen Fachdisziplinen zu bewegen, hat aber V

VI Vorwort noch nicht den Blick für das große Ganze. Vielmehr verliert er sich anfänglich in den einzelnen Teilgebieten und erkennt nicht die Abhängigkeiten und Auswirkungen getroffener Entscheidungen, bis er aus einem wachsenden Erfahrungsschatz heraus einen zunehmend optimierten Lösungsweg realisiert. Dieses Buch schließt die beschriebene Lücke. Der komplexe Entwicklungsprozess wird beginnend mit den Anforderungen des Kunden bis hin zu den fertigungsgerechten Werkstattzeichnungen dargestellt. In der systematischen Abarbeitung des gestellten konstruktiven Problems erfolgt die Vorstellung zahlreicher Alternativen. Diese werden in ihren Vor- und Nachteilen sowie in ihren Auswirkungen auf die endgültige Konstruktion hin analysiert, um dem Studierenden die Auswirkungen und Konsequenzen getroffener Entscheidungen zu verdeutlichen. Das vorliegende Werk setzt ein Grundwissen der angesprochenen Teildisziplinen voraus und führt diese im Rahmen des Methodischen Konstruierens nach VDI 2221 an exemplarischen Beispielen zusammen. Die Aufgaben sind in Umfang und Anspruch ansteigend. Bei der Berechnung von Maschinenelementen erfolgte eine konsequente Ausrichtung am Lehrbuch Maschinenelemente von Roloff/Matek. Das Buch versteht sich als Ergänzung zu diesem Standardwerk der Ingenieurs- und Fachschulausbildung. Entsprechend nehmen die Berechnungen den größten Teil des Buches ein. In den einzelnen Berechnungen werden die Gleichungen mit den entsprechenden Nummern des benannten Fachbuchs gekennzeichnet, um ein schnelles Wiederfinden und damit ein erfolgreiches Nacharbeiten zu gewährleisten. Besonderen Wert legen die Autoren auf Erläuterungen zu den Gleichungen und Entscheidungen im Umgang mit dem zugehörigen Tabellenbuch, um den Leser zu einem eigenverantwortlichen sicheren Handeln mit den Berechnungsalgorithmen zu führen. Alle in der Praxis vordringlich bedeutsamen Maschinenelemente werden dargestellt, um dem jungen Konstrukteur ein großes Berechnungsrepertoire an die Hand zu geben. Das Werk richtet sich auf Grund seiner Konzeption an Studenten der Fachhochschulen und technischen Hochschulen als auch an die Studierenden der Fachschule Maschinenbautechnik. Es kann zugleich als Lehrbuch wie auch als Literatur zum Selbststudium Einsatz finden. Neben dem Bearbeiten komplexer Konstruktionen bietet sich auch das Studium einzelner Themen an (vgl. Stichwortverzeichnis). Die dargestellten und berechneten Baugruppen stehen für Anschauungszwecke als Download bereit. Diese und weitere Ergänzungen finden sich im Internet unter http:// www.springer.com/de/book/9783658135911. Leser dieses Buches können eine funktionell und auf 60 Tage beschränkte SolidWorks-Testlizenz über http://www.3deduworks. de/crashkurs.html beantragen. Stark vergünstigte Lizenzen für Forschung und Lehre sind über 3D EduWorks, Weissenburger Platz 4, 81667 München, info@3deduworks.de, www.3deduworks.de erhältlich. Die SolidWorks Lehr-Edition (Education-Edition) ist ein Komplettpaket für Unterricht von Konstruktion und Simulation.

Vorwort VII In der vorliegenden fünften Auflage wurden alle Tabellenwerte und Formeln in ihren Bezügen auf die aktuelle Auflage des Roloff/Matek geprüft und ggf. angepasst. Veränderungen gab es im Besonderen bei Schrauben- und Schweißberechnungen. Unser Dank gilt dem Lektor Herrn Dipl.-Ing. Thomas Zipsner, der die Realisierung und Weiterentwicklung dieses Buches in jeder Phase kompetent unterstützt hat. Verbesserungsvorschläge und Anmerkungen können über den Verlag erfolgen unter: Thomas.Zipsner@springer.com. Krefeld, Willich im Sommer 2016 Bernhard Fleischer Hans Theumert

Formelzeichenverzeichnis Formelzeichen Einheit Größe/Bedeutung ı Winkel ı Zahnradeingriffswinkel kb 1 Kerbformzahl für Biegung (TB 3-6) kt 1 Kerbformzahl für Torsion (TB 3-6) ˇ 1 Faktor für Knickfall nach Euler (Spindelberechnung) ˇ ı Schrägungswinkel (Zahnradberechnung) ˇkb 1 Kerbwirkungszahl für Biegung (TB 3-8, 3-9) ˇkt 1 Kerbwirkungszahl für Torsion (TB 3-8, 3-9) ı 1 Nachgiebigkeit (Schraubenberechnung) 1 Wirkungsgrad 1 Beanspruchungsart/Spannungsverhältnis (s. R/M Bild 3-7) 1 Berechnungsbeiwert (Schraubenberechnung) 1 Abminderungsfaktor 1 Schlankheitsgrad (Spindelberechnung) 0 1 Grenzschlankheitsgrad (Spindelberechnung) 1 Reibzahl 0 ı Reibungswinkel (Spindelberechnung) Nmm 2 Normalspannung allgemein (Druck, Zug, Biegung, Knickung) ba Nmm 2 Ausschlagspannung der Biegebelastung bf Nmm 2 Biege-Fließgrenze bgsch, bgw Nmm 2 Biege-Gestaltfestigkeit, schwellende/wechselnde Beanspruchung bmax Nmm 2 maximale Biegespannung m Nmm 2 Mittelspannung (z. B. bm ) o, u Nmm 2 Ober- und Unterspannung allgemein sch, w Nmm 2 schwellende oder wechselnde Normalspannung für die Fälle Zug, Druck, Biegung; z. B. dsch, bw sch N, wn Nmm 2 schwellende oder wechselnde Normalspannung unter Normalbedingungen für die Fälle Zug, Druck, Biegung; z. B. dschn, bwn (TB 1-1 bis 1-4) IX

X Formelzeichenverzeichnis Formelzeichen Einheit Größe/Bedeutung v Nmm 2 Vergleichsspannung wv Nmm 2 Vergleichsspannung (Schweißen) wzul Nmm 2 zulässige Spannung (Schweißen) zul Nmm 2 zulässige Normalspannung ( dzul, zzul, bzul, kzul )? Nmm 2 Normal-Spannung beim Schweißen (z. B.? b,? z,? d ) Nmm 2 Schubspannung allgemein (Schub, Torsion) m Nmm 2 Mittelspannung (z. B. tm ) o, u Nmm 2 Ober- und Unterspannung allgemein sch, w Nmm 2 schwellende oder wechselnde Schubspannung für die Fälle Schub und Torsion; z. B. tsch, tw sch N, wn Nmm 2 schwellende oder wechselnde Schubspannung unter Normalbedingungen für die Fälle Schub und Torsion; z. B. tschn, twn (TB 1-1 bis 1-4) ta Nmm 2 Ausschlagspannung der Torsionsbelastung tf Nmm 2 Torsions-Fließgrenze tgsch, tgw Nmm 2 Torsions-Gestaltfestigkeit: schwellende/wechselnde Beanspruchung tmax Nmm 2 maximale Torsionsspannung zul Nmm 2 zulässige Schubspannung ( azul, tzul / k,? Nmm 2 Schubspannung beim Schweißen 1 Kraftverhältnis (Schraubenberechnung) ' ı Gewinde-Steigungswinkel ' 1 Tragfaktor (Passfederberechnung) 1 Durchmesser-Breitenverhältnis (Zahnradberechnung) 1 Mittelspannungsempfindlichkeit a mm Kehlnahtdicke (Schweißen) a mm Achsabstand (Zahnradberechnung) A mm 2,cm 2 Flächeninhalt, Querschnitt, projizierte Fläche b, B mm Bauteilabmaß b 1 Dickenbeiwert Schweißen (TB 6-14) b 0 mm Ritzelbreite C erf kn erforderliche dynamische Tragzahl (Lagerberechnung) C 0 kn erforderliche statische Tragzahl (Lagerberechnung) d, D mm Durchmesser d 0 mm Richtdurchmesser Achse/Welle e mm Abstand von Schwerelinie (z. B. e x, e y / E Nmm 2 Elastizitätsmodul f mm Durchbiegung f H 1 Härteeinflussfaktor (Passfederberechnung TB 12-2d)) f L 1 Lebensdauer-Faktor (Lagerberechnung, TB 14-5) f n 1 Drehzahl-Faktor (Lagerberechnung, TB 14-4) f S 1 Stützfaktor (Passfederberechnung; TB 12-2d))

Formelzeichenverzeichnis XI Formelzeichen Einheit Größe/Bedeutung f Z mm Setzbetrag (Schraubenberechnung) F N, kn Kraft. Bestimmte Kräfte werden durch Indizes unterschieden, z. B. F res resultierende Kraft, F N Normalkraft, F g Gewichtskraft g ms 2 Fallbeschleunigung G Nmm 2 Gleitmodul G 0 mm 1 bezogenes Spannungsgefälle h, H mm Bauteilabmaß H 1 mm Flankenüberdeckung (Spindelberechnung, TB 8-3) i mm Trägheitsradius i 1 Übersetzungsverhältnis (Zahnradberechnung) I mm 4 Flächenmoment 2. Grades k 1 Einspannfaktor (Bolzenberechnung) k A 1 Anziehfaktor (Schraubenberechnung, TB 8-11) k 1 Reduktionskoeffizient (Schraubenberechnung) k 1, k 2 1 Faktoren zur Federberechnung K A 1 Anwendungsfaktor (TB 3-5) K Db 1 Konstruktionsfaktor für Biegebelastung K Dt 1 Konstruktionsfaktor für Torsionsbelastung K g 1 geometrischer Größeneinflussfaktor (TB 3-11c) K O, K O 1 Einflussfaktor für Oberflächenrauheit (TB 3-10a) K t 1 technologischer Größeneinflussfaktor (TB 3-11a), b)) K V 1 Einflussfaktor für Oberflächenverfestigung (TB 3-12) K 1 formzahlabhängiger Größeneinflussfaktor (TB 3-11d)) K 1 Lastverteilungsfaktor (Passfederberechnung, TB 12-2c) l, L mm Länge jeder Art, Abstand m mm Modul (Zahnradberechnung) m G kg Masse M, M b Nmm, Nm Biegemoment M t Nmm, Nm Torsionsmoment n 1 Anzahl allgemein n 1 Anzahl federnder Windungen (Federberechnung) n min 1 Umdrehungsfrequenz (Drehzahl) n 1 Stützzahl für gekerbte Bauteile n 1 Krafteinleitungsfaktor (Schraubenberechnung) n 0 1 Stützzahl für ungekerbte Bauteile n 0 1 Anzahl wirksamer Windungen (Federberechnung) p Nmm 2 Flächenpressung P kn dynamisch äquivalente Lagerbelastung (Lagerberechnung) P kw Leistung P mm Gewindesteigung P h mm Steigung mehrgängiger Trapezgewinde

XII Formelzeichenverzeichnis Formelzeichen Einheit Größe/Bedeutung P 0 kn statisch äquivalente Lagerbelastung (Lagerberechnung) r; R mm Radius R Nmm 1 Federrate R a m Mittenrauwert R e Nmm 2 Streckgrenze R en Nmm 2 Streckgrenze unter Normalbedingungen (TB 1-1 bis 1-4) R m Nmm 2 Zugfestigkeit R mn Nmm 2 Zugfestigkeit unter Normalbedingungen (TB 1-1 bis 1-4) R p0,2 Nmm 2 Dehngrenze R p0,2n Nmm 2 Dehngrenze unter Normalbedingungen (TB 1-1 bis 1-4) R z m Rautiefe s, S mm Wege, Abstände, Bauteilabmaß S 1 Sicherheit S B 1 Sicherheit gegen Bruch S B 1 gemittelte Sicherheit (Passfederberechnung, TB 12-1b)) S D 1 dynamische Sicherheit S Derf 1 erforderliche dynamische Sicherheit (TB 3-14) S Dmin 1 erforderliche Mindestsicherheit gegen Dauerbruch (TB 3-14) S F 1 statische Sicherheit S Fmin 1 erforderliche Mindestsicherheit gegen Fließen (TB 3-14) S Z 1 Sicherheitsfaktor als Zuschlag (TB 3-14c)) S 0 1 statische Kennzahl (Lagerberechnung) t mm Bauteilabmaß T Nmm, Nm Torsionsmoment v ms 1 Umfangsgeschwindigkeit (Zahnradberechnung) W 1 Wickelverhältnis (Federberechnung) W, W b mm 3 Widerstandsmoment, in Achsrichtung auch: W x, W y W t mm 3 polares Widerstandsmoment (TB 1-14, TB 11-3) x mm Koordinatenabstand (Schraubenberechnung) X 1 Radialfaktor (Lagerberechnung) y mm Koordinatenabstand (Schraubenberechnung) y mm Randfaserabstand für Berechnung Widerstandsmoment Y 1 Axialfaktor (Lagerberechnung) z 1 Anzahl Schrauben z 1 Zähnezahl (Zahnradberechnung)

Inhaltsverzeichnis 1 Aufbau und Vorgehensweise des Buches... 1 1.1 Phasen des Methodischen Konstruierens... 1 1.2 Anforderungsliste... 2 1.3 Black-Box-Darstellung... 2 1.4 Funktionsanalyse... 3 1.5 Bildung von Lösungsvarianten... 4 1.6 Morphologischer Kasten... 4 1.7 Bewertung der Varianten... 5 1.8 Entwerfen... 5 1.9 Berechnungen... 6 1.10 Technische Dokumentation... 7 1.11 Produktsicherheit... 7 1.12 Zu den Aufgaben zur Lernzielkontrolle... 9 1.13 Zu den Themenbereichen der Aufgaben... 10 1.14 Zur Bewertung von konstruktiven Übungen und Prüfungen... 10 1.15 Empfohlene Begleitliteratur... 10 2 Konstruktion einer Bohrvorrichtung... 13 2.1 Aufgabenstellung... 13 2.2 Lösungsfindung... 15 2.2.1 Anforderungsliste... 15 2.2.2 Black-Box-Darstellung... 16 2.2.3 Funktionsanalyse... 17 2.2.4 Morphologischer Kasten zur Variantenbildung... 18 2.2.5 Bewertung der Varianten... 18 2.3 Konstruktion... 20 2.3.1 Hinweise zur Konstruktion... 20 2.3.2 Konstruktionszeichnung... 21 2.3.3 Stückliste... 22 XIII

XIV Inhaltsverzeichnis 2.4 Berechnungen... 24 2.4.1 Berechnung der Gewindespindel (Pos. 6)... 24 2.4.2 Auslegung der Flanschmutter (Pos. 14)... 26 2.4.3 Festigkeitsnachweis für die Gewindespindel (Pos. 6) an der Stelle des Querstifts (Pos. 21) zur Befestigung des Kreuzgriffs (Pos. 13)... 27 2.4.4 Querstiftverbindung Kreuzgriff (Pos. 13) Gewindespindel (Pos. 6)... 30 2.4.5 Flächenpressung am Druckstück (Pos. 12) der Gewindespindel (Pos. 6)... 32 2.4.6 Festigkeitsnachweis für die Druckwippe (Pos. 5)... 36 2.4.7 Festigkeitsnachweis für den Bolzen (Pos. 17)... 39 2.4.8 Festigkeitsnachweis für den Winkelhebel (Pos. 4)... 41 2.4.9 Festigkeitsnachweis für den Schweißanschluss zwischen Lagerbock (Pos 1.3) und Grundplatte (Pos. 1.1)... 43 2.4.10 Festigkeitsnachweis für die Schweißnaht zwischen Spindelaufnahme (Pos 1.2) und Grundplatte (Pos. 1.1). 46 2.4.11 Auslegung der Druckfeder (Pos. 15)... 49 3 Konstruktion einer Stoßvorrichtung... 55 3.1 Aufgabenstellung... 55 3.2 Lösungsfindung... 59 3.3 Konstruktion... 61 3.4 Berechnungen... 63 3.4.1 Ermittlung der Mindest-Spannkraft... 63 3.4.2 Bestimmung der maximalen Spannkraft der Gewindespindel (Pos. 7)... 64 3.4.3 Bestimmung der maximalen Flächenpressung an der Festbacke (Pos. 2)... 65 3.4.4 Ausführung der Druckplatte (Pos. 4) der Losbacke (Pos. 3)... 65 3.4.5 Flächenpressung an der Prismenauflage der Festbacke (Pos. 2).. 66 3.4.6 Festigkeitsnachweis für die Gewindespindel (Pos. 7)... 67 3.4.7 Festigkeitsnachweis für die Gewindespindel (Pos. 7) an der Stelle des Spannstiftes (Pos. 11) zur Befestigung des Sterngriffes (Pos. 10)... 70 3.4.8 Statischer Festigkeitsnachweis für die Gewindespindel (Pos. 7) an der Stelle des Druckzapfens... 71 4 Konstruktion einer Seilzugvorrichtung... 73 4.1 Aufgabenstellung... 73 4.2 Lösungsfindung... 74 4.2.1 Anforderungsliste... 74

Inhaltsverzeichnis XV 4.2.2 Black-Box-Darstellung... 75 4.2.3 Funktionsanalyse... 75 4.2.4 Bildung von Lösungsvarianten... 76 4.2.5 Morphologischer Kasten mit Bewertung der Varianten... 78 4.3 Konstruktion... 80 4.3.1 Hinweise zur Konstruktion... 80 4.3.2 Zeichnungen... 82 4.3.3 Stückliste... 84 4.4 Berechnungen... 85 4.4.1 Berechnung der Gewindespindel (Pos. 3.1)... 85 4.4.2 Nachprüfung der Flanschmutter (Pos. 2.2)... 88 4.4.3 Auslegung der Gewindespindellagerung (Pos. 3.2 und 3.3)... 89 4.4.4 Festigkeitsnachweis der Spindel Mitte Loslager (Pos. 3.1)... 92 4.4.5 Festigkeitsnachweis für die Übergangsstelle vom Vierkant auf den zylindrischen Teil des Lagersitzes (Pos. 3.1)... 93 4.4.6 Flächenpressung am Vierkantsitz der Handkurbel (Pos. 3.1)... 98 4.4.7 Berechnung des Seilwinden-Gestells (Pos. 1)... 100 4.4.8 Festigkeitsnachweis für die rechte Stütze (Pos. 1.1)... 105 4.4.9 Festigkeitsnachweis für die Schweißnaht zwischen Befestigungstraverse (Pos. 1.2) und rechter Stütze (Pos. 1.1)... 108 4.4.10 Spannungsnachweis für die Schweißnaht des Gewindespindel- Lagergehäuses (Pos. 1.5) an der rechten Stütze (Pos. 1.1)... 109 4.4.11 Kräfte an der Schraubverbindung (an Pos. 1.2)... 110 4.4.12 Nachweis der Schraubverbindung (an Pos. 1.2)... 114 4.4.13 Berechnung des Führungsstücks (Pos. 2.1)... 120 4.4.14 Auslegung der Bolzenverbindung (Pos. 2.6) zur Anbindung des Seilschlosses (Pos. 2.3)... 126 5 Konstruktion einer Tragrolle... 129 5.1 Aufgabenstellung... 129 5.2 Lösungsfindung... 130 5.3 Berechnungen... 132 5.3.1 Bestimmung des Achsdurchmessers... 132 5.3.2 Auslegung der Rillenkugellager... 133 5.3.3 Bestimmung der Tragrollenwandstärke... 134 5.3.4 Festlegung der Abmessungen... 135 5.3.5 Spannungsnachweis für die Schweißverbindungen der Rolle... 136 5.3.6 Spannungsnachweis für den oberen Konsolstab... 137 5.3.7 Festigkeitsnachweis für den Stützstab auf Knickung... 139 5.3.8 Berechnung der Schweißverbindungen der Konsole... 140 5.3.9 Schraubverbindung der Lagergehäuse mit der Konsole... 141 5.4 Konstruktionszeichnung... 142

XVI Inhaltsverzeichnis 6 Konstruktion eines Getriebes... 145 6.1 Aufgabenstellung... 145 6.2 Lösungsfindung... 146 6.2.1 Anforderungsliste... 146 6.2.2 Black-Box-Darstellung... 148 6.2.3 Funktionsanalyse... 148 6.2.4 Morphologischer Kasten... 150 6.2.5 Bewertung der Varianten... 152 6.3 Konstruktion... 154 6.3.1 Hinweise zur Konstruktion... 154 6.3.2 Zeichnungen... 157 6.4 Berechnungen... 162 6.4.1 Ermittlung der Getriebedaten... 162 6.4.2 Bestimmung der Kräfte an der Zwischenwelle... 171 6.4.3 Auslegung der Wälzlager... 173 6.4.4 Festigkeitsnachweis der Zwischenwelle (Pos. 1.1)... 174 6.4.5 Festigkeitsnachweis für die Passfeder (Pos. 2.2) der Antriebswelle... 178 6.4.6 Verformung der Zwischenwelle... 179 6.4.7 Festigkeitsnachweis für den Abtriebswellenzapfen... 180 6.4.8 Festigkeitsnachweis für die Passfeder (Pos. 3.4) der Abtriebswelle... 185 6.4.9 Überprüfung der zulässigen Wellenbelastung des E-Motors... 186 7 Konstruktion einer Getriebezwischenwelle... 189 7.1 Aufgabenstellung... 189 7.2 Lösungsfindung... 190 7.3 Berechnungen... 193 7.3.1 Bestimmung des Wellendurchmessers... 193 7.3.2 Bestimmung der Lager- und Nabenabstände... 194 7.3.3 Auslegung des Zahnrades... 195 7.3.4 Bestimmung der Lagerkräfte... 196 7.3.5 Auslegung der Rillenkugellager... 197 7.3.6 Festigkeitsnachweis für die Welle... 197 7.3.7 Alternative Bestimmung des erforderlichen Mindestdurchmessers... 202 7.3.8 Festigkeitsnachweis für die Passfeder... 203 7.3.9 Festigkeitsnachweis für den geschweißten Lagerbock... 205 7.4 Konstruktionszeichnung... 206

Inhaltsverzeichnis XVII 8 Konstruktion einer Transport- und Handhabungsvorrichtung... 207 8.1 Aufgabenstellung... 207 8.2 Lösungsfindung... 209 8.2.1 Anforderungsliste... 209 8.2.2 Black-Box-Darstellung... 210 8.2.3 Funktionsanalyse... 211 8.2.4 Morphologischer Kasten... 211 8.2.5 Darstellung der entwickelten Varianten... 212 8.2.6 Bewertung der Varianten... 214 8.3 Konstruktion... 215 8.3.1 Darstellung der Gesamtkonstruktion... 215 8.3.2 Erläuterung der Hauptkomponenten... 216 8.3.3 Handhabung... 217 8.4 Berechnungen... 218 8.4.1 Berechnung der Bolzenverbindungen... 218 8.4.2 Nachprüfung der Hebel auf Knickung in Ausschlagrichtung... 221 8.4.3 Schweißnaht an der Bolzenaufnahme... 223 8.4.4 Schweißnaht am Schwenktisch... 225 8.4.5 Nachweis des Schwenkhebels an der Zylinderanbindung... 227 8.4.6 Schraubenberechnung an der Zylinderanbindung... 229 8.4.7 Alternative Schweißnahtberechnungen an der Bolzenaufnahme der Schubstange... 234 Anhang... 245 Sachverzeichnis... 255