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2019 | Buch

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Maschinenelemente 1

Konstruktion und Berechnung von Verbindungen, Lagern, Wellen

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

In ihrem Buch „Maschinenelemente. Band 1: Konstruktion und Berechnung von Verbindungen, Lagern, Wellen“ bieten die Autoren Niemann, Winter, Höhn und Stahl einen optimalen Gesamtüberblick sowie umfassende Detailinformation zu allen relevanten Themen auf dem Gebiet der Maschinenelemente:

• Arbeitsmethoden in der Maschinenkonstruktion

• Gestaltung und Formgebung

• Praktische Festigkeitsberechnung

• Leichtbau

• Werkstoffe, Wärmebehandlung und Oberflächenbehandlung

• Allgemeines über Normen, Toleranzen, Passungen und Oberflächen

• Schweißverbindungen

• Löt-, Kleb- und kombinierte Maschinenverbindungen

• Nietverbindungen sowie Durchsetzfüge- und Blechform-Verbindungen

• Schraubenverbindungen und Gewinde

• Stift- und Bolzenverbindungen

• Elastische Federn

• Wälzpaarungen

• Maschinenlager: Wälzlager und Gleitlager

• Schmierung, Schmierstoffe, Reibung, Verschleiß und Korrosion

• Achsen und Wellen in Maschinen

• Welle-Nabe-Verbindungen

• Dichtverbindungen

Das Maschinenelemente-Buch eignet sich dank seines klaren Aufbaus, zahlreichen anschaulichen Beispielen zu allen Berechnungen sowie einer umfangreichen Literaturliste optimal als:

a) Lehrbuch für Studenten aus dem Bereich Maschinenbau

b) Arbeitsbuch für Konstrukteure und Entwickler.

Es gilt heute als Standardwerk und echter Klassiker für das Fach Maschinenelemente.

Entdecken Sie das Lehrbuch Maschinenbau hier in 5. bearbeiteter und aktualisierter Auflage

Alle Kapitel der 5. bearbeiteten Auflage des dreibändigen Werks „Maschinenelemente“ wurden auf den neuesten Stand der Technik gebracht. Im Zuge der Überarbeitung des Maschinenelemente-Buchs haben die Autoren ebenfalls zahlreiche Gleichungen, Diagramme und Beispielrechnungen korrigiert. Somit ist sichergestellt, dass Ingenieure und Mechaniker damit in der Praxis stets verlässliche Berechnungen durchführen können. Darüber hinaus veranschaulichen rund 758 Abbildungen den Inhalt optimal. Hierdurch fungiert das Lehrbuch „Maschinenelemente“ ebenfalls als wertvolles Nachschlagewerk für Konstrukteure.

Inhaltsverzeichnis

1. Arbeitsmethoden in der Produktentwicklung

Zusammenfassung

In der Produktentwicklung sind verschiedene Berufsbilder zu finden, wie z. B. Konstruktionsingenieure, Berechnungsingenieure, Versuchsingenieure, Normeningenieure oder Systemingenieure, welche sich unter dem Begriff des Ingenieurs in der Produktentwicklung zusammenfassen lassen. Je nach Berufsbild ergeben sich unterschiedliche Tätigkeiten, die mehr Synthese- oder Analyse-orientiert sein können. Ingenieure in der Produktentwicklung von heute sind Entwickler, Treiber und Gestalter im Entstehungsprozess neuer Produkte. Sie denken - unter Berücksichtigung sämtlicher Phasen des Produktlebenszyklus - neue Produkte im Unternehmen vor, entwickeln diese und erstellen einen großen Teil der Produktdokumentation. Damit beeinflussen sie in direkter Weise den Unternehmenserfolg produzierender Unternehmen, da sie den Großteil der Kosten eines Produktes festlegen und verantworten.

2. Gestaltung – Formgebung

Zusammenfassung

Die Hauptabmessungen eines Produkts sind oft vorgegeben oder werden mit Hilfe einer Überschlagsrechnung ermittelt. Dann folgt, häufig parallel, das Entwerfen, Gestalten und Nachrechnen. Die Regeln für die Gestaltung, d. h. die Formgebung von Maschinen und Maschinenelementen, ergeben sich aus der Forderung, die Funktionen mit einem Minimum an Kosten zu erfüllen.

Im folgenden Kapitel werden allgemein gültige, übergeordnete Gesichtspunkte, Anforderungen und Maßnahmen für die Gestaltung und Formgebung in der Produktentwicklung besprochen. Es werden Aspekte des Schwingungsverhaltens, der Ergonomie bis zur recyclinggerechten Gestaltung betrachtet.

3. Praktische Festigkeitsberechnung

Zusammenfassung

Mit Hilfe der Festigkeitsberechnung werden die Spannungen und Verformungen eines Bauteils ermittelt und es wird geprüft, ob ein Versagen, d. h. Bruch, unzulässige plastische oder elastische Verformung oder Instabilität (Knicken oder Beulen), mit ausreichender Sicherheit ausgeschlossen werden kann. Die Sicherheiten gegen diese Versagensgrenzen sollen aber nicht unnötig hoch sein, um den Werkstoff sinnvoll auszunutzen und um wirtschaftliche Lösungen erzielen zu können: sichere Funktion bei minimalen Kosten.

Im folgenden Kapitel werden der statische und dynamische Festigkeitsnachweis auf Basis der FKM-Richtlinie (2012) detailliert beschrieben. Es werden die Besonderheiten bei der Tragfähigkeit von Kunststoffbauteilen und die Grundlagen der Betriebsfestigkeit und Bruchmechanik vorgestellt.

4. Leichtbau

Zusammenfassung

Leichtbaukonstruktionen sind hinsichtlich Entwicklung, Herstellung und Erprobung meist sehr aufwändig. Trotzdem bietet Leichtbau wirtschaftliche Vorteile, wenn die Gewichtsminderung anderweitige Einsparungen oder funktionelle Verbesserungen zur Folge hat. In diesem Kapitel werden die drei Methoden Bedingungs-Leichtbau, Stoff-Leichtbau und Form-Leichtbau erklärt und allgemeine Hinweise zur Konstruktion von Leichtbaustrukturen gegeben.

5. Werkstoffe, Wärmebehandlung, Oberflächenbehandlung

Zusammenfassung

Sichere Funktion sowie Herstellkosten (zum Teil auch Betriebskosten) von Maschinen hängen in hohem Maße von der Wahl des Werkstoffs und dessen Wärmebehandlung ab. Mitunter ergibt sich die optimale Lösung durch eine zusätzliche Oberflächenbehandlung der Maschinenteile (Überzüge, Beschichtungen).

Dieses Kapitel enthält neben allgemeinen Hinweisen zur Werkstoffauswahl ausführliche spezifische Eigenschaften von Eisenmetallen und deren Wärmebehandlungen sowie von Nichteisenmetallen und seinen Legierungen. Es werden mögliche Überzüge auf Metalle vorgestellt sowie grundlegende Eigenschaften von Kunststoffen und keramischen Werkstoffen.

6. Allgemeines über Normen, Toleranzen, Passungen und Oberflächen

Zusammenfassung

Im Ingenieurwesen ermöglichen Normen eine einheitliche und klare Kommunikation auf internationaler Ebene, um Anforderungen an Bauteile definieren und kontrollieren zu können. Sie dienen einer wirtschaftlichen, funktionsgerechten Produktentwicklung und Fertigung. Normen definieren unter anderem die Beschaffenheit von Formelementen und legen erlaubte Abweichungen der Maße fest.

Da Bauteile nicht abweichungsfrei gefertigt werden können, muss definiert werden, welche Toleranzgrenzen die Maße eines Bauteils für eine einwandfreie Funktion aufweisen dürfen. Es müssen Passungen und die Beschaffenheit der Werkstückoberflächen vorgegeben werden. Nur so sind die anschließende Montagemöglich und eine einwandfreie Funktion garantiert. Dies hat Auswirkungen auf die möglichen und notwendigen Fertigungsschritte sowie die verwendeten Fertigungsverfahren und somit direkten Einfluss auf die Kosten.

Im folgenden Kapitel werden die gängigsten Toleranzangaben, Passungen und Gestaltabweichungen vorgestellt.

7. Schweißverbindungen

Zusammenfassung

Beim Verbindungsschweißen wird der Werkstoff an der Verbindungsstelle zwischen zwei Bauelementen aufgeschmolzen oder aufgeweicht und verbindet diese unmittelbar oder mit Hilfe eines Zusatzwerkstoffs. Nach dem Abkühlen und Verfestigen entsteht eine Verbindungsstelle, die die Festigkeitseigenschaften der Bauteilwerkstoffe erreichen kann (im Gegensatz zu den meisten Löt- und Klebverbindungen). Schweißen ist darüber hinaus oft die einzige Möglichkeit, die Funktion von Bauteilen mit Rissen und Brüchen schnell wiederherzustellen.

Dieses Kapitel gibt einen Überblick über Schweißverfahren und umfangreiche Eigenschaften sowie den Festigkeitsnachweis von Schmelzschweißverbindungen allgemein, Punkt- und Nahtschweißverbindungen, Buckel-, Press- und Abbrennstumpf- sowie Reibschweißverbindungen.

Die Anwendung des Festigkeitsnachweises wird durch Berechnungsbeispiele vorgestellt.

8. Löt-, Kleb- und kombinierte Verbindungen

Zusammenfassung

Löt- und Klebverbindungen sind bedingt lösbare Stoffschlussverbindungen unter Zuhilfenahme eines Zusatzmaterials. Die Lötverbindung wird mithilfe eines unterhalb der Schmelztemperatur der Bauteile erwärmten Lots erzielt. Bei der Klebverbindung wird ein Klebstoff auf dem Bauteil bei Raumtemperatur oder höheren Temperaturen ausgehärtet. Kombinierte Verbindungen sind bspw. Punktschweiß-, Niet- und Schraubklebverbindungen.

Das folgende Kapitel zeigt Anwendung, Eigenschaften und Funktionen dieser Verbindungen. Es werden die Herstellung und verwendete Werkstoffe erklärt sowie die Tragfähigkeitsnachweis vorgestellt und anhand eines Berechnungsbeispiels angewendet.

9. Nietverbindungen und Spezialverbindungen

Zusammenfassung

Die Nietverbindung ist eine der ältesten und mit einfachen Mitteln herstellbare Verbindung von Blechen und Profilen. Sie ist lösbar durch Abschlagen der Nietköpfe oder Ausbohren der Niete.

Dieses Kapitel gibt einen Überblick über typische Anwendungen, Eigenschaften und Funktionen dieser Verbindung. Es werden die Herstellung und die Elemente der Nietverbindungen sowie die Beanspruchungen und der Festigkeitsnachweis detailliert erläutert und mithilfe von Berechnungsbeispielen anschaulich dargestellt. Zusätzlich werden die Spezial-Verbindungen Durchsetzfügeverbindung, Schnapp- und Blechformverbindung vorgestellt.

10. Schraubenverbindungen, Gewinde

Zusammenfassung

Schrauben werden nach ihrer Hauptfunktion in Befestigungsschrauben und Bewegungsschrauben unterschieden. Die Hauptfunktionen des Gewindes sind Kraftübersetzung, d. h. große Axialkräfte durch kleine Umfangskräfte erzeugen (selten umgekehrt), Beispiel: Wagenheber, und/oder Wegübersetzung, d. h. kleine Axialwege durch große Umfangswege erzeugen (selten umgekehrt), Beispiel: Mikrometerschraube.

Dieses Kapitel gibt detaillierte Erläuterungen zur Anwendung und zum Festigkeitsnachweis von Befestigungs- und Bewegungsschrauben. Neben Herstellung, Werkstoffauswahl und Schmierung werden die Themen Montage und Sichern von Schraubenverbindungen behandelt. Zusätzlich werden allgemeine Zusammenhänge am Gewinde erläutert. Umfangreiche Berechnungsbeispiele zeigen die Anwendung der Berechnungsvorschriften.

11. Stift- und Bolzenverbindungen

Zusammenfassung

Stift- und Bolzenverbindungen sind die einfachsten und ältesten Formen der Verbindung von Bauteilen. Stifte verschiedener Bauformen dienen zur festen Verbindung oder Zuordnung von Bauteilen. Bolzen sind ebenfalls Verbindungselemente, lassen aber Schwenkbewegungen eines Bauteils zu, z. B. in einem Gelenk.

Dieses Kapitel erläutert neben Anwendung und Funktionen der Stift- und Bolzenverbindungen den Festigkeitsnachweis mit Berechnungsbeispielen.

12. Elastische Federn

Zusammenfassung

Federn sind Elemente, die sich unter Belastung gezielt verformen und bei Entlastung wieder zurückverformen. Diese Funktion wird durch geeignete Gestaltung und Werkstoffwahl erreicht.

Im Folgenden werden mechanische, hydraulische und pneumatische Federn behandelt. Federn werden meist nach ihrer Gestalt benannt, z. B. Tellerfeder, Drehstabfeder, alternativ nach dem Werkstoff, z. B. Metallfeder, Gummifeder, wie es in diesem Kapitel verwendet wird. Für die Berechnung ist die Art der Beanspruchung maßgebend, deshalb werden die Federarten nach ihrer vorwiegenden Beanspruchung (zugbeansprucht, biegebeansprucht und torsionsbeansprucht) geordnet.

Umfangreiche Berechnungsbeispiele zeigen die Anwendung der Berechnungsvorschriften.

13. Wälzpaarungen

Zusammenfassung

Eine Wälzbewegung liegt vor, wenn zwei beliebig gekrümmte Oberflächen relativ zueinander rollen und gleiten. Dies wird als Wälzpaarung bezeichnet. Reines Rollen kommt bei technischen Anwendungen kaum vor. Auch wenn die Tangentialbewegung zwischen den beiden Wälzkörpern verhindert wird, finden im Bereich der verformungsbedingten Abplattung Mikro-Gleitbewegungen statt.

In diesem Kapitel werden die Zusammenhänge bei der Beanspruchung nach Hertz erläutert und die praktische Berechnung der Tragfähigkeit vorgestellt. Berechnungsbeispiele zeigen die Anwendung der Berechnungsvorschriften.

14. Wälzlager

Zusammenfassung

Wälzlager sind Drehführungen. Sie ermöglichen die zwangsfreie Bewegung von Bauteilen relativ zueinander und übertragen Kräfte.

Dieses Kapitel erläutert den Aufbau der Wälzlager und deren Wirkprinzipien. Es werden die Herstellung und Schmierung vorgestellt sowie die unterschiedlichen Bauarten. Neben der Tragfähigkeit werden auch Reibungsverluste und Temperaturverhalten beschrieben. Berechnungsbeispiele zeigen die Anwendung der Berechnungsvorschriften.

15. Gleitlager

Zusammenfassung

Gleitlager zählen zu den Drehführungen. Die Gleitbewegung ist reibungsbehaftet. Um die Reibung zu reduzieren, kann die Oberfläche angepasst werden, eine geeignetere Werkstoffpaarung gewählt werden und/oder ein Schmierfilm aufgebracht werden.

Dieses Kapitel stellt neben den allgemeinen Grundlagen zur Reibleistung und der Stribeckkurve detailliert die Kennwerte und Einflussgrößen für die Tragfähigkeitsberechnung von hydrodynamischen und hydrostatischen Gleitlagern vor. Es werden mögliche Werkstoffe, Schmierstoffe und die Schmierstoffversorgungen erläutert. Berechnungsbeispiele runden das Kapitel ab.

16. Schmierung, Schmierstoffe, Reibung, Verschleiß, Korrosion

Zusammenfassung

Die Hauptfunktion der Schmierstoffe besteht im Allgemeinen darin, Schäden an belasteten Oberflächen, die sich relativ zueinander bewegen, zu vermeiden. Direkte Berührung der Wälzkörperoberflächen soll möglichst verhindert oder gemindert werden. Bei vollständiger Trennung der Wälzkörperoberflächen laufen derartige Paarungen nahezu verschleißfrei, sofern störende Fremdkörper vom Schmierspalt ferngehalten werden.

Es werden der Wirkmechanismus der Schmierung sowie verschiedene Schmierstoffarten vorgestellt. Es werden Hinweise zur Schmierstoffauswahl über das Einlaufverfahren bis hin zur Entsorgung gegeben und Schäden an Maschinenelementen beschrieben, die aufgrund falscher Schmierung entstehen können.

17. Achsen und Wellen

Zusammenfassung

Achsen und Wellen dienen zur Lagerung rotierender Maschinenteile, wie Räder oder Rollen. Achsen übertragen dabei nur Kräfte, kein Drehmoment. Wellen dienen zur Drehmomentübertragung und werden somit zusätzlich auf Torsion belastet.

Im folgenden Kapitel werden die Vorgehensweise bei Entwurf und Konstruktion unter Berücksichtigung des Werkstoffes und der Herstellung erläutert und das Schwingungsverhalten und Sonderbauarten vorgestellt. Anhand von Berechnungsbeispielen wird ein vollständiger Festigkeitsnachweis (statisch und dynamisch) durchgeführt.

18. Welle-Nabe-Verbindungen

Zusammenfassung

Welle-Nabe-Verbindungen übertragen Drehmoment und Drehbewegung von einer Welle auf eine Nabe (z. B. für Rotoren von Turbinen, Laufräder von Pumpen und Verdichtern, Zahnräder, Riemenscheiben). Sie können auch Querkräfte und Biegemomente übertragen (z. B. bei Zahnrädern und Riemenscheiben). Sie verhindern Relativbewegungen zwischen Welle und Nabe in Umfangsrichtung. Wenn sie axial fest verbunden sind, können sie auch Axialkräfte übertragen.

Es werden Reibschluss- und Formschlussverbindungen mit ihren Eigenschaften und typischen Ausführungen erläutert sowie geklebte Welle-Nabe-Verbindungen vorgestellt. Berechnungsbeispiele zeigen die Anwendung der Berechnungsvorschriften.

19. Dichtsysteme

Zusammenfassung

Dichtungen haben die Aufgabe, Räume mit unterschiedlichen Stoffen oder Betriebszuständen (Druck, Temperatur) voneinander zu trennen, Verluste von Flüssigkeiten, z. B. Schmierstoffen, zu verhindern sowie empfindliche Bereiche gegen Eindringen von Fremdstoffen zu schützen. Die Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit von Maschinen und Anlagen hängt entscheidend von der Zuverlässigkeit der Dichtsysteme ab. Ein Versagen kann erhebliche Reparatur- und Folgekosten nach sich ziehen. Dichtsysteme umfassen neben dem eigentlichen Dichtelement auch die Bauelemente, die gegeneinander abgedichtet werden sollen, sowie ggf. Anpresselemente. Bei der Auswahl und Dimensionierung eines Dichtsystems muss der Betriebsstoff einbezogen werden, der am Austreten oder Eindringen gehindert werden soll.

Dieses Kapitel erläutert die Anforderungen und Funktionen von Dichtsystemen allgemein. Es werden die Wirkprinzipien und der Aufbau verschiedener Dichtsysteme vorgestellt, unterteilt in statische und dynamische Systeme.

Titel: Maschinenelemente 1
Electronic ISBN: 978-3-662-55482-1
Print ISBN: 978-3-662-55481-4
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-55482-1

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