Springer-Lehrbuch Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH W. Steinhilper . R. Roper Maschinen- und Konstruktionselemente 2 Verbindungselemente Vierte Auflage Mit 190 Abbildungen , Springer t DR.-ING. WALDEMAR STEINHILPER t DR.-ING. RUDOLF ROPER Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme Steinhilper. Waldemar: Maschinen-und Konstruktionselemente / W. Steinhilper ; R. Roper. Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Hongkong ; London; Mailand ; Paris; Singapur ; Tokio: Springer (Springer-Lehrbuch) Bd. 2. Verbindungselemente. -4. Aufl .. -2000 ISBN 978-3-540-67368-2 ISBN 978-3-662-08514-1 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-08514-1 Dieses Werk ist urheberrechtlieh geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte. insbesondere die der 'Obersetzung, des Nachdrucks. des Vortrags. der Entn.ahme von Abbildungen und Tabellen. der Funksendung. der Mikroverfilmung oder Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen. bleiben. auch bei nur auszugsweiser Verwertung. vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes cider von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutsch land yom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zuHissig. Sie ist grundsatzlich vergiitungspfliehtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechts gesetzes. @ Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2000 UrsprOnglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2000. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen. Handelsnamen. Warenbezeiehnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeiehnung nieht zu der Annahme. daB solche Namen im Sinne der Warenzeiehen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden diirften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt aufGesetze. Vorschriften oder Riehtlinien (z.B.OIN. VOl. VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein. so kann der Verlag keine Gewahr fiir die Riehtigkeit. Vollstandigkeit oder Aktualitat iibernehmen. Es empfiehlt sieh. gegebenenfalls fiir die eigenen Arbeiten die vollstlindigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils giiltigen Fassung Einbandentwurf: Design & Production. Heidelberg Gedruckt auf sliurefreiem Papier SPIN: 10764389 6213020 -543 2 10 Vorwort zur vierten Auflage Die drei B!lnde der "Maschinen- und Konstruktionselemente" sind in den Jahren 1982 bis 1996 von den Verfassern Steinhilper und ROper erarbeitet worden. Es wur de ein Lehrbuch ftlr die universitlire Ausbildung geschaffen, das mit ausfilhrlicher, systematischer Darstellung der Masehinenelemente Faehwissen in herausragender Qualitiit vermittelt. Der geplante vierte Band der "Masehinen-und Konstruktions elemente" konnte von Prof. Steinhilper leider nieht mehr vollendet werden. Prof. Dr.-Ing. h.c. Waldemar Steinhilper ist naeh sehwerer Krankheit im Juli 1998 ver storben. Aueh der Co-Autor, Prof. Dr.-Ing. Rudolf ROper, verstarb 1998. Die positiven Ruekmeldungen aus Fachkreisen und von Studierenden fordern dazu auf, die Lehrbueher "Masehinen-und Konstruktionselemente" fortzusetzen und auch kunftig fachlich zu aktualisieren. Mit der Fortsetzung der Lehrbuchreihe fmdet aueh die Arbeit der beiden Verfasser weitere Anerkennung. Die vorliegende vierte Auflage des zweiten Bandes gibt den bekannten Stand der vorangegangenen dritten Auflage wieder; eine tiefere inhaltliche Uberarbeitung ist - auf Grund des noeh immer zeitgemliBen Inhaltes - erst ftlr die nllchste Auflage vorgesehen. Kaiserslautern, im Frilhjahr 2000 B. Sauer Vorwort zur zweiten Auflage Seit dem Erscheinen dieses Lehrbuches sind auf dem Gebiet der Toleranzen, Passungen sowie PaBtoleranzfelder, SchweiBkonstruktionen, Dehn- bzw. Diinn schaftschraubenverbindungen und Schraubenfedern neue national und inter national geltende Normen und Standards erschienen, die eine Oberarbeitung der entsprechenden Abschnitte des Buches notwendig machten. Besonders die in der friiheren DIN 4100 festgelegten Details fUr geschweiBte Stahlbauten muBten den Empfehlungen der DIN 18800, T1 (Stahlbauten, Be mess sung und Konstruktion) angepaBt bzw. nach diesen neu gefaBt werden. Daneben haben wir die festgestellten Fehler korrigiert und einige, zum besse ren Verstandnis dienende Neuformulierungen und Erganzungen vorgenommen. Die Verfasser danken allen, die sie auf Verbesserungen aufmerksam gemacht haben, ganz besonders aber ihren Mitarbeitern fUr die Hilfe bei der Reinschrift des Textes und beim Anfertigen der Bilder. Auch den Mitarbeitern des Springer-Verlages gilt unser Dank fUr die gute Zusammenarbeit bei der Drucklegung dieser Neuauflage. Kaiserslautern, Dortmund, im Herbst 1990 W. Steinhilper, R. Roper Aus dem Vorwort zur ersten Auflage Der erste Band dieser Reihe stellte die physikalischen und werkstoffkundlichen Grundlagen der Maschinenkonstruktion vor und lei tete von daher iiber auf die zusatzlich durch technologische und wirtschaftliche Gesichtspunkte beeinflu/3te Bauteilgestaltung. In Fortsetzung behandelt der zweite Band die form-, kraft und stoffschliissigen Verbindungselemente, die elastischen Elemente, die Achsen und Wellen sowie die Dichtungen. Gema/3 der urspriinglich formulierten Zielsetzung wird bei der Darstellung der Elemente und ihrer Wirkung im System auf die Grundlagen abgehoben, und zwar betont im Hinblick auf die Anforderungen der modernen Konstruktions technik. Dies geschieht in einem fUr den Lernenden iiberschaubaren Schwierig keitsgrad und methodisch, in Uberwindung der in der speziellen Betrachtung liegenden Beschranktheit, durch Darstellung der Grundprinzipien. Gerade das methodische Vorgehen beim Zergliedern in Grundfunktionen und beim ErfUllen derselben verlangt nach einer vertieften, aber abstrahierenden Kenntnis des ein zelnen Wirkelementes und des damit verwirklichten Wirkprinzips. Die Maschinen- und Konstruktionselemente erfUllen eine doppelte Funktion! Sie sind einmal Elemente, zum Teil sogar recht komplexe Bausteine eines techni schen Systems zur ErfUllung einer Grundfunktion. Sie sind dariiber hinaus aber auch Zielsystem eines gegliederten Konstruktionsprozesses, in dem neben der Funktion auch Anforderungen hinsichtlich der Sicherheit, Lebensdauer, Zuver lassigkeit und Wirtschaftlichkeit optimal zu erfUllen sind. Dennoch bleibt der erstgenannte Gesichtspunkt fUr die Maschinen- und Konstruktionselemente ma/3gebend. Sie sind nicht Wert an sich, sondern immer nur als Komponente eines komplexen technischen Systems zu verstehen und auf die dort zu erfUllenden Aufgaben ausgerichtet. Es ist bezeichnend, da/3 z. B. der Schraube, einem der aitesten Maschinen elemente iiberhaupt, heute wieder besonderes Interesse entgegengebracht wird. Die Schraubenverbindung wird erst jetzt in ihrer gesamten Komplexitat erkannt, nicht zuletzt bewirkt durch die Sicherheitsforderungen an die automatisierte Montage. Die bisher bekannten Dimensionierungsmodelle bleiben beschrankt, denn sie unterliegen dem Zwang der Verwirklichkbarkeit. Sicher bietet sich ein standardisiertes Verfahren, z. B. in Verbindung mit einem CAD-System, gewisse Vorteile, aber es iiberwindet keine prinzipiellen Grenzen. Teilverfahren mit unan gemessener Genauigkeit sind zeitlich aufwendig und tragen nicht zur gro/3eren Sicherheit der Verbindung bei. VIII Vorwort In ahnlicher Situation ist die SchweiBtechnik zu sehen. Normen fUr die Gestal tung und die AusfUhrung von SchweiBverbindungen finden sich fUr verschiedene Spezialgebiete, z. B. Maschinenbau, Kranbau, Stahlbau, Bundesbahn usw., aber "das SchweiBen" als allgemeingiiltiges Verfahren hinsichtlich Konstruktion, Dimensionierung und Technologie steht noch aus. Diese und noch weitere Griinde sprechen fUr die Zielsetzung des Buches. Das Nebeneinanderstellen der Verfahren und der Elemente, der Hinweis auf das Grundsatzliche - den Wirkort und das Wirkprinzip -, aber auch kritische Anmer kungen sollen die Verfahren, die Systemelemente und in der Folge die Methodik durchsichtig, d. h. richtig anwendbar machen, im Vergleich Grundlagen schaffe n und anregend wirken. Vielleicht entsteht daraus ein kleiner Beitrag zur Verein heitlichung. Kaiserslautern und Dortmund, im Herbst 1985 W. Steinhilper, R. Roper Inhaltsverzeichnis 5 Verbindungselemente und -verfahren ................. . 1 5.1 Formschliissige Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5.1.1 Nietverbindungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5.1.2 Bolzen- und Stiftverbindungen ..................... 15 5.1.3 Formschliissige Welle-Nabe-Verbindungen . . . . . . . . . . . . .. 19 5.1.3.1 Querstift unter Drehmoment ...................... 19 5.1.3.2 Uingsstift unter Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20 5.1.3.3 PaBfederverbindungen........................... 20 5.1.3.4 Scheibenfederverbindungen ....................... 26 5.1.3.5 Profilwellenverbindungen......................... 27 5.1.3.5.1 Keilwellenverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28 5.1.3.5.2 Zahnwellenverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30 5.1.3.5.3 Polygonverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33 5.2 Kraftschliissige Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36 5.2.1 Keilverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38 5.2.1.1 Querkeilverbindungen........................... 38 5.2.1.2 Uingskeilverbindungen.......................... 39 5.2.1.3 Tangentialkeilverbindungen ....................... 45 5.2.2 Kegelverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46 5.2.2.1 Kegelsitzverbindungen .......................... 46 5.2.2.2 Spannelementverbindungen ....................... 49 5.2.2.2.1 Ringfeder-Spannelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49 5.2.2.2.2 Spannsatze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58 5.2.2.2.3 Taper-Lock-Spannbuchsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61 5.2.3 Verbindungen mit elastischen Zwischengliedern . . . . . . . . . .. 61 5.2.3.1 Druck- und Zughiilsen .......................... 62 5.2.3.2 Sternscheiben ................................ 64 5.2.3.3 Toleranzringe ................................ 65 5.2.3.4 Zylinderspannringe............................. 67 5.2.3.5 ETP-Spannbuchse ............................. 68 5.2.4 PreBverbindungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69 5.2.4.1 Beanspruchung der Nabe und der Welle ............... 69 5.2.4.2 PreBverbindung mit Pressung p in der Fiigeflache .. . . . . . .. 73 5.2.4.3 QuerpreBsitze................................ 82