Entwerfen und Gestalten im Maschinenbau

3	Kraftgerechtes Gestalten ‒ ein zentrales Anliegen

Allgemeine Vorbemerkungen

Unter kraftgerechtem Gestalten soll das Entwerfen von Maschinenteilen unter Berücksichtigung der Hauptbeanspruchungsart des Maschinenbaus ‑ der Einwirkung von Kräften und Momenten ‒ verstanden werden. Da die Beanspruchung durch ein Moment immer auf eine Kraft, am Hebelarm angreifend, zurückgeführt werden kann, wird hier grundsätzlich nur mit dem Begriff „kraftgerechtes Gestalten“ gearbeitet.

Dass eine Maschinenbaukonstruktion so ausgeführt sein muss, dass sie durch mechanische Beanspruchung nicht zu Bruch gehen darf, ist für jedermann selbstverständlich. Dieses „Zu Bruch gehen“ kann bedeuten: Zerstörung eines Bauteiles durch zu hohe

• Zugbeanspruchung,

• Druckbeanspruchung,

• Biegebeanspruchung,

• Torsionsbeanspruchung oder

• beliebige Kombinationen vorstehender Beanspruchungsarten.

Eine nicht so selbstverständliche Art des Versagens von Maschinenteilen kann unzulässig große Verformung sein:

• Dehnung durch Zug (selten),

• Stauchung durch Druck (sehr selten),

• Durchbiegung,

• Verdrehung durch Torsion,

• Stabilitätsverlust (Knicken, Beulen …) oder

• Schwingungen (meist Resonanzen, hier nicht betrachtet).

In der Regel wird daher von sehr vielen Maschinenteilen eine hohe Steifigkeit gefordert. Verschiedentlich wird anstelle des Begriffs Steifigkeit mit dem Begriff Starrheit gearbeitet. Da starr als nicht verformbar gedeutet werden kann, ist dieser Begriff falsch, denn es gibt keinen Werkstoff, der sich unter Einwirkung von Kräften nicht verformt. (Diese Tatsache ist jederzeit mit entsprechenden Messmitteln nachweisbar, bleibt aber dem bloßen Auge häufig verborgen.) Es gibt nur leicht verformbare und schwerer verformbare Werkstoffe. Daher wird hier stets mit dem Begriff Steifigkeit gearbeitet und die Forderung nach hoher Steifigkeit ist der Forderung nach geringer Verformung gleichzusetzen.

Welche Beziehungen bestehen zwischen dem kraftgerechten Gestalten und dem Fachgebiet Technische Mechanik? Die Technische Mechanik beschäftigt sich mit der Berechnung von Spannungen oder Verformungen ausgehend von gegebenen Maschinenteilen. Das kraftgerechte Gestalten liegt im Konstruktionsprozess vor dieser Berechnungsphase und erhebt den Anspruch, die Grobgestalt eines Maschinenteiles weitgehend den herrschenden Kräften so anzupassen, dass mit möglichst geringem Werkstoffaufwand der gewünschte Effekt erreicht wird. Dabei geht es nicht um extreme Leichtbauforderungen, wie sie z. B. der Flugzeugbau stellt, bei denen die minimale Masse der Bauteile durch hohen fertigungstechnischen Aufwand und zum Teil hochwertige Werkstoffe erkauft wird, sondern um geringe Masse bei möglichst minimalen Gesamtkosten für Werkstoff/ Halbzeug, Teilefertigung und Montage.

Bevor der Konstrukteur mit dem kraftgerechten Gestalten beginnt, sollte er sich über folgende Hinweise bzw. Fragen Klarheit verschaffen:

• Sind Spannungen oder Verformungen die kritische Größe?

• Übersicht schaffen über Kräfte und Reaktionskräfte nach Größenordnung, Dynamik, Hauptrichtung und eventuelle Nebenkraftrichtungen!

• Übersicht schaffen über „berufstypische Umgangsformen“ des

  • Bedienungspersonals (Facharbeiter, ungelernter Bediener) und

  • Wartungs-, Reinigungs- und Reparaturpersonals

    beim Umgang mit der Maschine/Gerät.

• Jede konstruktive Bearbeitung einer bestehenden Maschine sollte auch zu einer Leistungssteigerung führen. Schlussfolgerungen über die Proportionen kraftbeanspruchter Bauteile müssen die jeweiligen Entwicklungstendenzen berücksichtigen.

3.1	Die Grundregeln des kraftgerechten Gestaltens steifer Maschinenteile

Die erste Grundregel lautet:

Zur Ergänzung lässt sich formulieren:

Die folgenden Bilder mit ihren Erläuterungen dürften ausreichend zum Verständnis dieser Regeln beitragen.

Auch diese Regel wird mithilfe der Bilder 3.7 bis Bild 3.11 so illustriert, dass keine weiteren Erklärungen notwendig sind.

Die Bedeutung der bewussten Zuordnung von Profil- bzw. Querschnittsformen wird noch deutlicher bei der Betrachtung der wesentlichen Geometrieeinflüsse auf Spannung und Verformung.

Bei der Biegung sind rechnerische Dimensionierungen oft einfach, aber die Wahl einer günstigen Basisgeometrie erspart Aufwand.

Hinsichtlich der Wahl des Werkstoffs sind Festigkeit und Verformungsverhalten zu beachten. So steigt beispielsweise bei gleicher Last die Durchbiegung, wenn der Elastititätsmodul sinkt (Bild 3.13). Mit höherer Festigkeit steigen elastische Verformbarkeit und zulässige Kraft. Übersteigt die vorhandene Spannung die ertragbare Spannung (z. B. die Biegefließgrenze), kann also ein festerer Werkstoff gewählt werden (Bild 3.14). Ist jedoch die Durchbiegung zu groß, bringt das bei gleicher Geometrie keinen Erfolg! Es ist ein Werkstoff mit höherem Elastizitätsmodul oder eine steifere Geometrie zu wählen (siehe Bild 3.19 und Bild 3.12).

Während ein Torsionsmoment in einem Abschnitt konstant ist, wächst ein Biegemoment mit dem Hebelarm. So tritt die im Bild 3.14 genannte Maximalbeanspruchung nur in der Mitte auf, an den Auflagern ist hier die Biegespannung...