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Stephan Regele
Auslegung von Maschinenelementen
Formeln, Einsatztipps, Berechnungsprogramme
Vorwort
6
Inhalt
8
1 Werkstoffe
30
1.1 Werkstofftechnik
30
1.1.1 Definitionen
30
1.1.2 Spannungs-Dehnungsdiagramme
31
1.2 Stahl
32
1.3 Gusswerkstoffe
33
1.4 Nichteisenmetalle
34
1.5 Kunststoffe
35
2 Schraubenverbindungen
36
2.1 Gewindetabellen und -normen
36
2.2 Montagevorspannkraft und Anziehdrehmoment
38
2.3 Querbelastete Schrauben
42
2.3.1 Durchsteckschrauben
42
2.3.2 Passschrauben
42
2.4 Nachgiebigkeit der Schrauben und Bauteile
43
2.4.1 Nachgiebigkeit der Schraube
43
2.4.2 Nachgiebigkeit der Bauteile
43
2.5 Bezeichnungssysteme der Schrauben und Muttern
44
2.5.1 Unlegierte und legierte Stahlschrauben
44
2.5.2 Unlegierte und legierte Stahlmuttern
44
2.5.3 Edelstahlschrauben und -muttern
44
Praxistipps: Schraubenverbindungen
46
2.6 Schrauben
46
2.6.1 Sechskantschrauben
46
2.6.2 Zylinderschrauben (normaler Kopf)
47
2.6.3 Zylinderschrauben (niedriger Kopf)
47
2.6.4 Flachkopfschrauben
48
2.6.5 Zylinderschrauben mit Schlitz
49
2.6.6 Passschrauben
49
2.6.7 Rändelschrauben
50
2.6.8 Flu?gelschrauben
50
2.6.9 Senkschrauben
51
2.6.10 Dehnschraube
51
2.6.11 Hochfeste Schrauben
52
2.6.12 Gewindestifte
53
2.6.13 Schrauben in der Fahrzeugindustrie
54
2.7 Muttern
55
2.7.1 Sechskantmuttern
55
2.7.2 Niedrige Sechskantmuttern
55
2.7.3 Sechskantmuttern mit großen Schlu?sselweiten
56
2.7.4 Sechskantmuttern mit Flansch
57
2.7.5 Sechskant-Hutmuttern
57
2.7.6 Sechskantmuttern mit Klemmteil
58
2.7.7 Schweißmuttern
58
2.7.8 Kronenmutter (6kt)
59
2.7.9 Nutmuttern
59
2.7.10 Nutmuttern fu?r Wälzlager
60
2.7.11 Rändelmutter
60
2.7.12 Flu?gelmutter
61
2.7.13 Muttern in der Fahrzeugindustrie
61
2.8 Scheiben
62
2.8.1 Flache Scheiben
62
2.8.2 Scheiben (vierkant) fu?r U- und I-Träger
62
2.8.3 Sicherungsscheiben
63
2.9 Losdrehsicherung durch Kleben (nach DIN 267-27)
65
2.10 Hersteller und Lieferanten
66
3 Gewindeeinsätze
67
3.1 Drahtgewindeeinsatz Helicoil®
67
3.2 Gewindeeinsatzbuchse Ensat® S / SB
70
3.3 Gewindeeinsatzbuchse Kobsert®
71
3.4 Gewindeeinsatzbuchse Expansionsert® / Spredsert®
72
Praxistipps: Gewindeeinsätze
74
3.5 Funktion und Wirkung von Gewindeeinsätzen
74
3.6 Gewindeeinsätze
74
3.6.1 Helicoil® plus
74
3.6.2 Ensat®
75
3.6.3 Kobsert®
76
3.6.4 Spredsert®
76
3.6.5 Expansionsert®
77
3.6.6 Quicksert®
77
3.6.7 Keensert®
78
3.7 Hersteller und Lieferanten
78
4 Bewegungsschrauben
79
4.1 Gewindetabellen und -normen
79
4.2 Gewindeauslegung
81
4.3 Festigkeitsnachweis
82
4.4 Flächenpressung der Gewindeflanken
83
4.5 Pru?fung auf Knicksicherheit
84
5 Nietverbindungen
85
5.1 Scherspannung im Nietquerschnitt
85
5.2 Zugspannung im Niet
85
5.3 Lochleibungsdruck im Nietschaft
85
5.4 Momentenanschluss
87
5 Praxistipps: Nietverbindungen
88
5.5 Nietverbindungen allgemein
88
5.6 Niete
88
5.6.1 Rohniete fu?r Stahlbau
88
5.6.2 Blindnieten
90
5.7 Verschiedene Blindniettypen im Vergleich
91
5.8 Hersteller und Lieferanten
92
6 Klebeverbindungen
93
6.1 Festigkeitsnachweis
93
Praxistipps: Klebeverbindungen
95
6.2 Kleben allgemein
95
6.3 Klebstoffarten
97
6.3.1 Physikalisch abbindende Klebstoffe
97
6.3.2 Chemisch abbindende Klebstoffe
98
6.4 Oberflächenbehandlung
98
6.5 Konstruktive Gestaltung der Klebeverbindung
99
6.6 Hersteller und Lieferanten
99
7 Schweißverbindungen
100
7.1 Zug-/Druckbeanspruchung
100
7.2 Scherung
100
7.3 Torsion
100
7.4 Biegung
101
7.4.1 Schweißnähte symmetrisch zur Nulllinie
101
7.4.2 Schweißnähte unsymmetrisch zur Nulllinie
102
7.5 Schubbeanspruchungen durch Drehmoment
103
7.6 Überlagerte Beanspruchungen
104
7.7 Zulässige Spannungen in den Schweißnähten
104
7.8 Punktschweißverbindungen
105
8 Bolzen und Stifte
107
8.1 Steckstiftverbindung
107
8.2 Querstiftverbindung
108
8.3 Längsstiftverbindung
109
8.4 Bolzen (Gelenkbolzen)
110
9 Sicherungsringe
111
9.1 Sicherungsringe fu?r Wellen (nach DIN 471)
111
9.2 Sicherungsringe fu?r Bohrungen (nach DIN 472)
113
9.3 Tragfähigkeitsberechnung der Nut (nach Seeger-Orbis)
115
10 Federn
116
10.1 Grundlagen
116
10.2 Zylindrische Druckfedern
118
10.3 Zylindrische Zugfedern
119
10.4 Drehfedern
120
10.5 Spiralfedern
121
10.6 Tellerfedern
122
10.7 Gummifedern
124
10.8 Drahtseilfedern
126
10.8.1 Schwingungsisolierung
127
10.8.2 Stoßisolierung
128
11 Welle-Nabe-Verbindungen
130
11.1 Passfeder (formschlu?ssig)
130
11.2 Keilwelle (formschlu?ssig)
131
11.3 Zahnwelle (formschlu?ssig)
131
11.4 Kegelpressverband (kraftschlu?ssig)
132
11.5 Kegelspannring (kraftschlu?ssig)
133
11.6 Sternscheiben (kraftschlu?ssig)
134
11.7 Druckhu?lse (kraftschlu?ssig)
136
11.8 Kegelspannringverbindung (kraftschlu?ssig)
137
11.9 Klemmverbindung (kraftschlu?ssig)
139
11.10 Zylindrischer Pressverband
141
11.10.1 Berechnung rein elastischer Beanspruchung(kraftschlu?ssig)
141
11.11 Fu?getemperatur
143
11.12 Vorspannkräfte fu?r kraftschlu?ssige Spannelemente
145
11.12.1 Ermittlung der Vorspannung FV durch Schrauben
145
Praxistipps: Welle-Nabe-Verbindung:Spannsätze
147
11.13 Funktion und Wirkung von Spannelementen
147
11.14 Spannelemente
149
11.14.1 Außenspannsatz / Schrumpfscheiben
149
11.14.2 Spannsatz
150
11.14.3 Spannsatz
150
11.14.4 Spannsatz
151
11.14.5 Spannsatz
152
11.14.6 Spannsatz fu?r Naben mit geringer Wandstärke
152
11.14.7 Spannsatz
153
11.14.8 Spannsatz
153
11.14.9 Taper Lock®-Spannbuchse
154
11.15 Hersteller und Lieferanten
155
12 Achsen und Wellen
156
12.1 Biegemomenten- und Querkraftverlauf
156
12.2 Durchbiegung
158
12.3 Biegekritische Drehzahl
159
12.4 Verdrehwinkel
160
12.5 Berechnung gefährdeter Wellenquerschnitte
161
12.6 Allgemeine Festigkeitsberechnung
168
13 Auswuchttechnik
169
13.1 Definition
169
13.2 Unwuchtarten
170
13.3 Auswuchtgu?te
171
13.4 Zuordnung der Ausgleichsebenen
172
13.5 Auswuchten auf Umschlag
176
14 Wälzlager
178
14.1 Dynamisch äquivalente Belastung
178
14.2 Statisch äquivalente Belastung
178
14.3 Berechnungsfaktoren X, Y, X0 und Y0
179
14.3.1 Rillenkugellager (nach DIN 625)
179
14.3.2 Schrägkugellager (?=40°) (nach DIN 628)
179
14.3.3 Kegelrollenlager (nach DIN 720 und DIN 5418)
180
14.3.4 Pendelkugellager (nach DIN 630)
180
14.3.5 Axial-Pendelrollenlager (nach DIN 728)
180
14.3.6 Axial-Rillenkugellager (nach DIN 711)
180
14.3.7 Axial-Zylinderrollenlager (nach DIN 722)
181
14.3.8 Zylinderrollenlager (nach DIN 5412)
181
14.3.9 Nadellager (nach DIN 617)
181
14.3.10 Pendelrollenlager (nach DIN 635)
181
14.4 Schrägkugel- bzw. Kegelrollenlager
182
14.5 Lebensdauerberechnung
184
Praxistipps: Wälzlager
185
14.6 Auswahl der Wälzlager
185
14.7 Wälzlager
186
14.8 Hersteller und Lieferanten
191
15 Gleitlager
192
15.1 Radialgleitlager
192
15.2 Bundbuchse
192
15.3 Axialgleitlager
193
Praxistipps: Gleitlager
195
15.4 Auswahl der Gleitlager
195
15.5 Verschiedene Anwendungen
199
15.6 Hersteller und Lieferanten
200
16 Linearführungen
201
16.1 Auslegung: Ein Wagen auf einer Schiene
202
16.2 Auslegung: Zwei Wagen auf einer Schiene
203
16.3 Auslegung: Zwei Wagen auf zwei Schienen
204
16.4 Auslegung: Vier Wagen auf zwei Schienen
205
16.5 Bedingung fu?r kombinierte Belastungen
207
16.6 Leistungsauslegung
207
16.7 Knicksicherheit der Antriebsspindel
210
16.8 Kritische Drehzahl der Antriebsspindel
211
16.9 Nominelle Lebensdauer
211
17 Praxistipps: Dichtungstechnik
214
17.1 Übersicht
214
17.2 Dichtungselemente
215
17.2.1 Flachdichtungen fu?r Flansche
215
17.2.2 O-Ringe
216
17.2.3 Metallringe
217
17.2.4 Stopfbuchspackungen
219
17.2.5 Radial-Wellendichtringe (Simmerring®)
221
17.2.6 Axial-Wellendichtringe
223
17.2.7 Dichtungen fu?r Drehdurchfu?hrungen
223
17.2.8 Gleitringdichtungen
224
17.3 Dichtungselemente fu?r Hydraulikzylinder
225
17.3.1 Stangendichtung
225
17.3.2 Kolbendichtung
227
17.3.3 Abstreifer
228
17.3.4 Fu?hrungen fu?r Kolben und Stangen bei Hydraulikzylindern
229
17.4 Dichtungselemente fu?r Pneumatikzylinder
230
17.4.1 Stangendichtung
231
17.4.2 Kolbendichtung
232
17.4.3 Fu?hrungen fu?r Kolben und Stangen bei Pneumatikzylindern
233
17.4.4 Stangendämpfer
234
17.4.5 Schmierung von Pneumatikzylindern
235
18 Kupplungen
236
18.1 Kupplungsdrehmoment ohne genaue Betriebsdaten
236
18.1.1 Direkter Antrieb (Zweimassensystem)
236
18.1.2 Antrieb u?ber Getriebe
237
18.2 Kupplungsdrehmoment
237
18.2.1 Direkter Antrieb
237
18.2.2 Antrieb u?ber Getriebe
238
18.2.3 Antrieb u?ber Getriebe und Spindel
239
18.3 Verdrehwinkel einer elastischen Kupplung
239
18.4 Periodisches Wechseldrehmoment
240
18.5 Wellengelenke (nach DIN 808)
241
18.5.1 Einfaches Wellengelenk
241
18.5.2 Doppel-Wellengelenk
241
18.6 Trägheitsmomente
242
Praxistipps: Kupplungen
243
18.7 Funktion und Wirkung von nicht schaltbaren Kupplungen
243
18.8 Nicht schaltbare Kupplungen
244
18.8.1 Balgkupplung
244
18.8.2 Elastische Kupplung
244
18.8.3 Federkupplung
245
18.8.4 Federscheibenkupplung
245
18.8.5 Membrankupplung
246
18.8.6 UNI-LAT®-Kardankupplung
246
18.8.7 Oldham®-Kupplung
247
18.8.8 Starre Kupplung
248
18.8.9 Stegkupplung
248
18.8.10 Stirnzahnkupplung
249
18.8.11 Wendelkupplung
249
18.8.12 Zahnkupplung
250
18.8.13 Spielfreie Kupplung
250
18.8.14 Permanentmagnet-Rutschkupplungen
251
18.8.15 Kreuzgelenk
252
18.8.16 Kreuzpaargelenk
252
18.8.17 Gelenkwelle mit Längenausgleich
253
18.8.18 Schmidt-Kupplung®
253
18.8.19 Bolzenkupplung
254
18.8.20 Drehelastische Klauenkupplung
255
18.8.21 PowerGrip® Kupplung
255
18.8.22 Kettenkupplung
256
18.8.23 Hochelastische Kupplung
256
18.8.24 Elastische Kardan-Gelenkscheiben
257
18.8.25 Elastische Klauenkupplung
258
18.9 Hersteller und Lieferanten
258
19 Bremsen
259
19.1 Allgemeine Berechnungen
259
19.1.1 Bremszeit
259
19.1.2 Temperaturerhöhung beim Bremsen
259
19.2 Bandbremsen
260
19.2.1 Einfache Bandbremsen
260
19.2.2 Differentialbandbremsen
261
19.2.3 Summenbandbremsen
262
19.2.4 Bandbremsen allgemein
262
19.3 Außenbackenbremsen
264
19.3.1 Einfache Außenbackenbremsen
264
19.3.2 Doppelbackenbremsen (Kranbremsen, Trommelbremsen)
265
19.4 Innenbackenbremsen
266
19.4.1 Simplex-Bremsen
266
19.4.2 Duplex-Bremsen
267
19.5 Kegelbremsen
267
19.6 Lamellenbremsen
269
19.7 Teilscheibenbremsen
269
20 Zahnräder und Getriebe
270
20.1 Allgemeine Berechnungen
270
20.2 Geradverzahntes Stirnradpaar
271
20.3 Schrägverzahntes Stirnradpaar
272
20.4 Geradverzahntes Kegelradpaar
272
20.5 Schrägverzahntes Kegelradpaar
274
20.6 Schneckenradsatz
275
21 Tipps: Zahnriementriebe
277
21.1 Zahnriementriebe (Synchronriementriebe) allgemein
277
21.2 Zahnriemenwerkstoffe
278
21.3 Zahnriemenprofi le
279
21.4 Zahnriemenspanner
282
21.4.1 Herkömmliche Riemenspannmethoden
282
21.4.2 Elastischer Roll-Ring® Zahnriemenspanner
283
21.4.3 Einstellung der Riemenspannung
283
21.5 Zahnriemenräder
285
21.6 Auslegung der Zahnriementriebe
286
21.7 Hersteller und Lieferanten
286
22 Tipps: Kettentriebe
288
22.1 Kettentriebe allgemein
288
22.2 Rollenketten
289
22.2.1 Rollenkettenarten
289
22.2.2 Verbindungsglieder
290
22.3 Kettenräder
291
22.4 Kettenspanner
292
22.4.1 Kettenspannräder
292
22.4.2 Gleitspanner
293
22.4.3 Elastischer Roll-Ring® Kettenspanner
293
22.5 Kettenfu?hrungen fu?r Rollenketten
293
22.6 Schmierung
294
22.7 Schubketten
295
22.8 Auslegung der Kettentriebe
296
22.9 Hersteller und Lieferanten
297
23 Greif- und Spannmechanismen
298
23.1 Reibung
298
23.2 Exzenterspanner
300
23.3 Schubstangenspanner
302
23.4 Greifer
306
23.4.1 Greifkraft
306
23.4.2 Kräfte am Greifer
307
23.4.3 Klemmfaktor k
309
23.4.4 Vorgehensweise zur Greifkraftberechnung
311
23.5 Reibwerte
313
24 Pneumatik- und Hydraulikzylinder
314
24.1 Pneumatikzylinder
314
24.2 Hydraulikzylinder
316
24.3 Gasfedern
318
24.4 Hersteller und Lieferanten
319
25 Scherenhubtische
321
25.1 Scherenhubtisch Typ 1
321
25.2 Scherenhubtisch Typ 2
323
25.3 Scherenhubtisch Typ 3
326
25.4 Scherenhubtisch Typ 4
329
25.5 Scherenwagenheber
332
25.6 Antriebsauslegung einer Gewindespindel
333
25.7 Gelenkbolzenauslegung
335
26 Praxistipps: Korrosionsschutz
338
26.1 Korrosion
338
26.2 Korrosionsschutz – Verfahrensu?bersicht
340
26.3 Hersteller und Lieferanten
341
27 Technische Grundlagen
342
27.1 Hertzsche Pressung
342
27.2 Knickbeanspruchung
344
27.2.1 Druckstab
344
27.2.2 ?-Verfahren (nach DIN 4114 / 4113)
346
27.2.3 Knick-Drehmoment (Drillknicken)
347
27.2.4 Knicken bei Erwärmung
347
27.3 Thermische Ausdehnung
347
27.4 Blechabwicklung
349
27.5 Lineare Interpolation
351
28 Excel-Programme
353
1) Passfederverbindung
355
2) Keil- und Zahnwellenverbindung
356
3) Zylindrischer Pressverband (rein elastische Betrachtung)
357
4) Kegelpressverband
359
5) Spannsatz
360
6) Klemmverbindungen
361
7) Schrauben
362
8) Drahtgewindeeinsatz (Helicoil)
363
9) Bewegungsschraube
364
10) Gasfeder
365
11) Wellenauslegung (Durchbiegung, Torsion Zug-Druck)
367
12) Durchbiegung von Wellen und Achsen
370
13) Biegekritische Drehzahl
371
14) Knickbeanspruchung
372
15) Passungsrechner
374
16) Blechabwicklung
375
17) Lineareinheiten (1 Wagen, 1 Schiene)
377
18) Lineareinheiten (2 Wagen, 1 Schiene)
378
19) Lineareinheiten (2 Wagen, 2 Schienen)
379
20) Lineareinheiten (4 Wagen, 2 Schienen)
380
21) Scherenhubtisch Typ 1
381
22) Scherenhubtisch Typ 2
382
23) Scherenhubtisch Typ 3
383
24) Scherenhubtisch Typ 4
384
25) Schubstangenspanner Typ 1
385
26) Schubstangenspanner Typ 2
386
27) Keilreibung
387
28) Exzenterspanner
388
29) Hersteller- und Lieferantenverzeichnis
389
Anhang
390
Internet-Adressen ausgewählter Hersteller und Lieferanten
391
Bu?cher mit Berechnungstools
393
Literaturhinweise
394
Sachregister
395
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