Handbuch Maschinenbau: Grundlagen und Anwendungen der Maschinenbau-Technik

1482 Pages·2013·43.22 MB·German

by  Alfred Böge (auth.)

A Mathematik A 1–70
B Naturwissenschaftliche
B 1–47
Grundlagen
C Mechanik C 1–132
D Festigkeitslehre D 1–81
E Werkstofftechnik E 1–85
F Thermodynamik F 1–39
G Elektrotechnik G 1–52
H Grundlagen der Mechatronik H 1–34
I Maschinenelemente I 1–205
K Fördertechnik K 1–73
L Kraft- und Arbeitsmaschinen L 1–100
M Spanlose Fertigung M 1–56
N Zerspantechnik N 1–40
O Werkzeugmaschinen O 1–117
P Programmierung von
P 1–41
Werkzeugmaschinen
Q Steuerungstechnik Q 1–75
R Regelungstechnik R 1–48
S Betriebswirtschaft S 1–88
T Produktionslogistik T 1–24
Alfred Böge (Hrsg.)
Handbuch Maschinenbau
Beiträge und Mitarbeiter
A Mathematik Dr. Friedrich Kemnitz,
Prof. Dr. Arnfried Kemnitz
B Naturwissenschaftliche Gert Böge,
Grundlagen Prof. Dr. rer. nat. Peter Kurzweil
C Mechanik Alfred Böge, Gert Böge,
Prof. Dr.-Ing. Dominik Surek
D Festigkeitslehre Alfred Böge, Gert Böge
E Werkstofftechnik Wolfgang Weißbach
F Thermodynamik Heinz Wittig
G Elektrotechnik Gert Böge
H Grundlagen der Mechatronik Prof. Dr.-Ing. Werner Roddeck
I Maschinenelemente Alfred Böge, Wolfgang Böge,
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Borutzki,
Prof. Dr.-Ing. Susanna Labisch,
Prof. Dr.-Ing. Petra Linke,
Prof. Dr.-Ing. Frank Weidermann
K Fördertechnik Dr.-Ing. Johannes Sebulke
L Kraft- und Arbeitsmaschinen Wolfgang Böge, Manfred Ristau
M Spanlose Fertigung Wolfgang Böge,
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Borutzki
N Zerspantechnik Lutz Barfels, Alfred Böge,
Wolfgang Böge
O Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. Werner Bahmann
P Programmierung von Rainer Ahrberg, Lutz Barfels,
Werkzeugmaschinen Jürgen Voss
Q Steuerungstechnik Prof. Dr.-Ing. Petra Linke,
Werner Thrun
R Regelungstechnik Berthold Heinrich
S Betriebswirtschaft Klaus-Dieter Arndt,
Prof. Jürgen Bauer
T Produktionslogistik Prof. Jürgen Bauer
Alfred Böge
Herausgeber
Handbuch Maschinenbau
Grundlagen und Anwendungen der
Maschinenbau-Technik
21., aktualisierte und überarbeitete Auflage 2013
Mit 1902 Abbildungen und 405 Tabellen
Herausgeber
AlfredBöge
Braunschweig,Deutschland
Bis zur 16. Auflage erschien das Buch unter dem Titel
"Das Techniker Handbuch", bis zur 18. Auflage
einschließlich hieß es "Vieweg Handbuch Maschinenbau",
ebenfalls unter der Herausgeberschaft von Alfred Böge.
ISBN978-3-8348-2478-3 ISBN978-3-8348-2479-0(eBook)
DOI10.1007/978-3-8348-2479-0
DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;de-
tailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
SpringerVieweg
©SpringerFachmedienWiesbaden1964, 1969, 1977, 1979, 1981, 1982, 1983, 1985, 1986, 1987, 1989,
1990, 1992, 1995, 1999, 2000, 2004, 2007, 2009, 2011, 2013
DiesesWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dienichtaus-
drücklichvomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Dasgilt
insbesonderefürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEinspei-
cherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen.
DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerkbe-
rechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinneder
Warenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermann
benutztwerdendürften.
Lektorat:ThomasZipsner/ImkeZander
Technische Redaktion:
Klementz publishing services, Freiburg
Bilder:
Graphik & Text Studio, Dr. Wolfgang Zettlmeier, Barbing
GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier.
Springer ViewegisteineMarkevon SpringerDE.Springer DEistTeilderFachverlagsgruppeSpringer
Science+BusinessMedia
www.springer-vieweg.de
V

Alfred Böge †

Am 21. Juni 2012 verstarb der Herausgeber und Autor Alfred Böge im Alter von 92 Jahren. Für
seinen Verlag Springer Vieweg schrieb er zahlreiche Lehr- und Fachbücher, darunter so bekann-
te und geschätzte Werke wie das Handbuch Maschinenbau und das Lehr- und Lernsystem zur
Technische Mechanik. In seiner über fünfzig Jahre währenden Schaffenszeit beim Verlag Sprin-
ger Vieweg wurde „der Böge“ zum Markenzeichen und erreichte eine große Leserschaft bei
Studierenden und Lehrern. Der Verlag und die mit ihm verbundenen Autorinnen und Autoren
trauern um Alfred Böge.
Alle seine Bücher zeichneten sich durch eine ausgefeilte Didaktik und Methodik aus. Darin ge-
lang es ihm, auch äußerst komplexe technische Zusammenhänge einfach und präzise darzulegen.
Er half damit Generationen von Studierenden, die für ihr Berufsleben wichtigen Grundlagen der
Technik begreifen und beherrschen zu können – bis heute.
Viele Jahre unterrichtete Alfred Böge an der Technikerakademie Braunschweig. Als Lehrer, der
selbst nie aufgehört hat weiterzulernen, war er allen seinen Kollegen ein nimmermüder und
kompetenter Ratgeber.
Alfred Böge war ein engagierter Herausgeber, ein Denker und Macher – und hatte dabei stets
seine Leser im Blick. Klar und verständlich, so sollte jedes seiner Bücher formuliert sein – dies
war sein Anspruch an sich selbst.
Gemeinsam werden wir sein Lebenswerk in seinem Sinne fortführen.

Seine Söhne
Wolfgang und Gert Böge
VI

Vorwort zur 21. Auflage

Das Handbuch Maschinenbau (cid:237) eine Weiterentwicklung des früheren „Technikerhandbuchs“ (cid:237)
hat sich einen festen Platz in der Techniker- und Ingenieurausbildung erworben. Es beschreibt in
verständlicher praxisnaher Form die Inhalte für den Studien- und Berufsbedarf der Ingenieure
und Techniker.
Anwendungsorientierte Problemstellungen führen in das jeweilige Stoffgebiet ein, Berechnungs-
und Dimensionierungsgleichungen werden mit vielen Abbildungen hergeleitet und ihre Anwen-
dung an praktischen Beispielen gezeigt. Damit ist das Handbuch Maschinenbau als Arbeitsbuch
für das technische Studium insbesondere an Fach- und Fachhochschulen und als Nachschlage-
werk für die Praxis unverzichtbar. Das gilt in besonderem Maß auch für die Auswahl, Einord-
nung und Kontrolle von Informationen aus dem Internet.
In der jetzt vorliegenden 21. Auflage sind in gründlicher, abgestimmter Arbeit alle Inhalte,
Normen und sonstige Quellen auf Aktualität überprüft und auf den neuesten Stand gebracht
worden.
Darüber hinaus sind in allen Abschnitten des Handbuchs Maschinenbau die zahlreichen Anre-
gungen, Verbesserungsvorschläge und kritischen Hinweise von Lehrern, Fachleuten aus In-
dustrie und Handwerk und Studierenden verarbeitet worden.
Autoren und Herausgeber bedanken sich beim Lektorat Maschinenbau des Springer Vieweg
Verlages, insbesondere bei Frau Imke Zander und Herrn Thomas Zipsner für ihre engagierte und
immer sehr förderliche Zusammenarbeit bei der Realisierung der jetzt vorliegenden Auflage.

E-Mail-Adresse des Herausgebers: [email protected]

Braunschweig, November 2012 Wolfgang Böge
VII
Inhaltsverzeichnis
A Mathematik
1 Grundlagen ................................................................................................................... 1
1.1 Mengen ................................................................................................................ 1
1.2 Aussageformen und logische Zeichen ................................................................. 1
1.3 Indizes, Summenzeichen, Produktzeichen ........................................................... 2
1.4 Einteilung der Zahlen .......................................................................................... 2
1.5 Komplexe Zahlen ................................................................................................ 3
1.6 Matrizen und Determinanten ............................................................................... 8
2 Funktionen ................................................................................................................... 13
2.1 Definition und Darstellungen von Funktionen .................................................... 13
2.2 Verhalten von Funktionen ................................................................................... 14
2.3 Einteilung der elementaren Funktionen ............................................................... 16
2.4 Ganze rationale Funktionen ................................................................................. 18
2.5 Gebrochene rationale Funktionen ........................................................................ 21
2.6 Irrationale Funktionen ......................................................................................... 24
2.7 Transzendente Funktionen ................................................................................... 25
3 Trigonometrie .............................................................................................................. 27
3.1 Definition der trigonometrischen Funktionen ...................................................... 27
3.2 Trigonometrische Funktionen für beliebige Winkel ............................................ 27
3.3 Beziehungen für den gleichen Winkel ................................................................. 28
3.4 Graphen der trigonometrischen Funktionen ........................................................ 29
3.5 Sinussatz und Kosinussatz ................................................................................... 30
3.6 Arkusfunktionen .................................................................................................. 30
4 Analytische Geometrie ................................................................................................ 32
4.1 Koordinatensysteme ............................................................................................ 32
4.2 Geraden ................................................................................................................ 34
4.3 Kreise ................................................................................................................... 36
4.4 Kugeln ................................................................................................................. 37
4.5 Kegelschnitte ....................................................................................................... 38
4.6 Vektoren .............................................................................................................. 43
5 Differenzial- und Integralrechnung ........................................................................... 47
5.1 Folgen .................................................................................................................. 47
5.2 Reihen .................................................................................................................. 50
5.3 Grenzwerte von Funktionen ................................................................................ 52
5.4 Ableitung einer Funktion ..................................................................................... 55
5.5 Integralrechnung .................................................................................................. 62
VIII Inhaltsverzeichnis
B Naturwissenschaftliche Grundlagen
B1 Physik
1 Physikalische Größen und und Größenarten .................................................................. 1
2 Basisgrößen und abgeleitete Größen .............................................................................. 2
3 Größengleichungen ........................................................................................................ 2
4 Dimension einer Größe .................................................................................................. 3
5 Einheiten ........................................................................................................................ 4
6 Basiseinheiten, abgeleitete Einheiten, kohärente Einheiten, Hilfs- oder
Sondereinheiten .............................................................................................................. 4
7 Das Meter ist die Basiseinheit der Basisgröße Länge .................................................... 5
8 Das Kilogramm ist die Basiseinheit der Basisgröße Masse ........................................... 6
9 Die Sekunde ist die Basiseinheit der Basisgröße Zeit .................................................... 6
10 Krafteinheit Newton ....................................................................................................... 6
11 Arbeits- und Energieeinheit Joule .................................................................................. 7
12 Skalare und Vektoren ..................................................................................................... 7
13 Geschwindigkeit ............................................................................................................. 8
14 Beschleunigung .............................................................................................................. 9
15 Masse ............................................................................................................................. 10
16 Dichte ............................................................................................................................. 11
17 Gewichtskraft ................................................................................................................. 11
18 Statisches Gleichgewicht ............................................................................................... 12
19 Dynamisches Gleichgewicht .......................................................................................... 14
B2 Chemie
1 Stoffe .............................................................................................................................. 21
2 Aufbau der Materie ...................................................................................................... 21
2.1 Atomaufbau und atomare Konstanten .................................................................. 21
2.2 Elementsymbole und Atommassen ...................................................................... 21
2.3 Radioaktivität und Kernchemie ............................................................................ 22
3 Periodensystem der Elemente (PSE) .......................................................................... 22
3.1 Atommodelle und Quantenzahlen ........................................................................ 22
3.2 Aufbau des Periodensystems ................................................................................ 23
3.3 Elektronenkonfiguration ...................................................................................... 24
3.4 Periodische Eigenschaften der Elemente ............................................................. 25
4 Chemische Bindung ..................................................................................................... 27
4.1 Ionenbindung (Salze) ........................................................................................... 28
4.2 Atombindung (Moleküle) .................................................................................... 29
4.3 Metallbindung (Metalle und Legierungen) .......................................................... 31
4.4 Koordinationsverbindungen („Komplexe“) ......................................................... 31
4.5 Zwischenmolekulare Kräfte ................................................................................. 33
Inhaltsverzeichnis IX
5 Chemische Reaktionen ................................................................................................ 33
5.1 Stöchiometrie ....................................................................................................... 33
5.2 Thermochemie ..................................................................................................... 34
5.3 Chemisches Gleichgewicht .................................................................................. 34
5.4 Katalyse ............................................................................................................... 35
5.5 Chemische Reaktionen ........................................................................................ 35
6 Säuren und Basen ........................................................................................................ 36
6.1 Definitionen und Eigenschaften ........................................................................... 36
6.2 Benennung von Säuren und Salzen ..................................................................... 36
6.3 Beispiele für Säuren und Basen ........................................................................... 36
6.4 Luftschadstoffe und saurer Regen ....................................................................... 37
6.5 Bauchemie und Wasserhärte ................................................................................ 37
6.6 Verbrennungsvorgänge ........................................................................................ 37
6.7 Anorganische Basen ............................................................................................ 37
6.8 Stärke von Säuren und Basen .............................................................................. 37
6.9 Neutralisation und Hydrolyse .............................................................................. 38
6.10 Konzentrationsmaße ............................................................................................ 39
7 Fällungen und Wasserhärte ........................................................................................ 39
7.1 Löslichkeitsprodukt ............................................................................................. 39
7.2 Wasserhärte ......................................................................................................... 40
7.3 Wasserreinigung .................................................................................................. 40
7.4 Kennwerte der Wasserqualität ............................................................................. 40
7.5 Trinkwasseraufbereitung ..................................................................................... 40
8 Elektrochemie .............................................................................................................. 41
8.1 Oxidation und Reduktion ..................................................................................... 41
8.2 Elektrochemische Zellen ..................................................................................... 41
8.3 Normalpotential ................................................................................................... 41
8.4 Galvanische Elemente und Korrosion ................................................................. 42
8.5 Batterien und Akkumulatoren .............................................................................. 43
8.6 Brennstoffzellen ................................................................................................... 44
8.7 Elektrolyse ........................................................................................................... 45
8.8 Metallgewinnung ................................................................................................. 45
8.9 Galvanotechnik .................................................................................................... 46
9 Organische Chemie ...................................................................................................... 46
9.1 Kohlenwasserstoffe ............................................................................................. 46
9.2 Stoffklassen ......................................................................................................... 46
X Inhaltsverzeichnis
C Mechanik
1 Statik starrer Körper in der Ebene ............................................................................ 1
1.1 Grundlagen ........................................................................................................... 2
1.2 Zusammensetzen, Zerlegen und Gleichgewicht von Kräften in der Ebene .......... 6
1.3 Schwerpunkt (Massenmittelpunkt) ...................................................................... 11
1.4 Guldin’sche Regeln .............................................................................................. 16
1.5 Standsicherheit, Gleichgewichtslagen .................................................................. 17
1.6 Statik der ebenen Fachwerke ............................................................................... 19
1.7 Reibung ................................................................................................................ 23
2 Dynamik ........................................................................................................................ 36
2.1 Bewegungslehre (Kinematik) ............................................................................... 37
2.2 Mechanische Arbeit W und Leistung P, Wirkungsgrad (cid:75), Übersetzung i ............. 49
2.3 Dynamik der Verschiebebewegung (Translation) des starren Körpers ................ 53
2.4 Dynamik der Drehung (Rotation) des starren Körpers ......................................... 59
2.5 Gegenüberstellung der Gesetze für Drehung und Schiebung ............................... 67
2.6 Gerader zentrischer Stoß ...................................................................................... 68
3 Statik der Flüssigkeiten (Hydrostatik) ....................................................................... 74
3.1 Eigenschaften der Flüssigkeiten und Gase ........................................................... 75
3.2 Hydrostatischer Druck (Flüssigkeitsdruck, hydraulische Pressung) .................... 75
3.3 Druck-Ausbreitungsgesetz ................................................................................... 75
3.4 Anwendung des Druck-Ausbreitungsgesetzes ..................................................... 75
3.5 Hydraulische Kraftübertragung ............................................................................ 76
3.6 Druckverteilung durch Gewichtskraft der Flüssigkeit ......................................... 77
3.7 Hydrostatische Kräfte gegen ebene Wände offener Gefäße ................................. 78
3.8 Auftrieb ................................................................................................................ 78
3.9 Schwimmen .......................................................................................................... 79
3.10 Gleichgewichtslagen schwimmender Körper ....................................................... 79
4 Hydrodynamik; Eindimensionale stationäre inkompressible Strömung ................ 81
4.1 Einführung ........................................................................................................... 82
4.2 Stromlinie, Bahnlinie, Stromfaden und Stromröhre ............................................. 82
4.3 Kontinuitätsgleichung für die eindimensionale Strömung (Stromfadenströmung) .. 82
4.4 Bernoulligleichung ............................................................................................... 83
4.5 Impulssatz ............................................................................................................ 84
4.6 Eindimensionale inkompressible reibungsbehaftete Strömung ............................ 85
4.7 Ähnlichkeitsgesetze der Strömungsmechanik ...................................................... 96
4.8 Strömungswiderstand umströmter Körper ........................................................... 99
4.9 Düsen- und Diffusorströmung .............................................................................. 100
4.10 Grenzschicht ........................................................................................................ 101
4.11 Strömungstechnische Messtechnik ...................................................................... 102
4.12 Numerische Berechnung instationärer Strömungen ............................................. 106