Maschinen- und Konstruktionselemente: Band II: Verbindungselemente, elastische Elemente, Achsen und Wellen, Dichtungstechnik

621 Pages·1986·16.822 MB·German

by  Dr.-Ing. Waldemar Steinhilper, Dr.-Ing. Rudolf Röper (auth.)

Hochschultext
w.
Steinhilper · R. Röper
Maschinen- und
Konstruktionselemente
Band II
Verbindungselemente,
elastische Elemente, Achsen
und Wellen, Dichtungstechnik
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg GmbH 1986
Dr.-Ing. Waldemar Steinhilper
o. Professor, Lehrstuhl für Maschinenelemente,
Universität Kaiserslautern
Dr.-Ing. Rudolf Röper
o. Professor, Lehrstuhl für Maschinenelemente,
Universität Dortmund
ISBN 978-3-540-15862-2 ISBN 978-3-662-08511-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-08511-0
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek:
Steinhilper, Waldemar:
Maschinen-und Konstruktionselemente/w. Steinhilper; R. Röper.
Berlin; Heidelberg; NewYork; Tokyo; Springer 1986 (Hochschultext)
Früher mit d. Erscheinungsorten Berlin, Heidelberg, New York
NE: Röper, Rudolf:
Bd. 2 Verbindungselemente, elastische Elemente, Achsen und Wellen, Dichtungs
technik. -1985
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1986
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frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
2362/3020-543210
Vorwort
Der erste Band dieser Reihe stellte die physikalischen und werkstoffkundlichen
Grundlagen der Maschinenkonstruktion vor und leitete von daher Uber auf die zusätz
lich durch technologische und wirtschaftliche Gesichtspunkte beeinflußte Bauteil
gestaltung. In Fortsetzung behandelt der zweite Band die form-, kraft- und stoff
schlUssigen Verbindungselemente, die elastischen Elemente, die Achsen und Wellen
sowie die Dichtungen.
Gemäß der ursprUnglich formulierten Zielsetzung wird bei der Darstellung der Elemen
te und ihrer Wirkung im System auf die Grundlagen abgehoben, und zwar betont im Hin
blick auf die Anforderungen der modernen Konstruktionstechnik. Dies geschieht in
einem fUr den Lernenden Uberschaubaren Schwierigkeitsgrad und methodisch, in über
windung der in der speziellen Betrachtung liegenden Beschränktheit, durch Darstel
lung der Grundprinzipien. Gerade das methodische Vorgehen beim Zergliedern in Grund
funktionen und beim ErfUllen derselben verlangt nach einer vertieften, aber abstra
hierenden Kenntnis des einzelnen Hirkelementes und des damit verwirklichten Wirk
prinzips.
Die Maschinen- und Konstruktionselemente erfUllen eine doppelte Funktion! Sie sind
einmal Elemente, zum Teil sogar recht komplexe Bausteine eines technischen Systems
zur ErfUllung einer Grundfunktion. Sie sind darUber hinaus aber auch Ziel system
eines gegliederten Konstruktionsprozesses, in dem neben der Funktion auch Anforde
rungen hinsichtlich der Sicherheit, Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Wirtschaft
lichkeit optimal zu erfUllen sind. Dennoch bleibt der erstgenannte Gesichtspunkt
fUr die Maschinen- und Konstruktionselemente maßgebend. Sie sind nicht Wert an
sich, sondern immer nur als Komponente eines komplexen technischen Systems zu ver
stehen und auf die dort zu erfUllenden Aufgaben ausgerichtet.
Es ist bezeichnend, daß z.B. der Schraube, einem der ältesten Maschinenelemente
Uberhaupt, heute wieder besonderes Interesse entgegengebracht wird. Die Schrauben-
VI
verbindung wird erst jetzt in ihrer gesamten Komplexität erkannt, nicht zuletzt
bewirkt durch die Sicherheitsforderungen an die automatisierte Montage. Die bisher
bekannten Dimensionierungsmodelle bleiben beschränkt, denn sie unterliegen dem
Zwang der Verwirklichbarkeit. Sicher bietet ein standardisiertes Verfahren, z.B.
in Verbindung mit einem CAD-System, gewisse Vorteile, aber es überwindet keine prin
zipiellen Grenzen. Teilverfahren mit unangemessener Genauigkeit sind zeitlich auf
wendig und tragen nicht zur größeren Sicherheit der Verbindung bei.
In ähnlicher Situation ist die Schweißtechnik zu sehen. Normen für die Gestaltung
und die Ausführung von Schweißverbindungen finden sich für verschiedene Spezialge
biete, z.B. Maschinenbau, Kranbau, Stahlbau, Bundesbahn usw., aber "das Schweißen"
als allgemeingültiges Verfahren hinsichtlich Konstruktion, Dimensionierung und Tech
nologie steht noch aus.
Diese und noch weitere Gründe sprechen für die Zielsetzung des Buches. Das Neben
einanderstellen der Verfahren und der Elemente, der Hinweis auf das Grundsätzliche
- den Wirkort und das Wirkprinzip -, aber auch kritische Anmerkungen sollen die
Verfahren, die Systemelemente und in der Folge die Methodik durchsichtig, d.h. rich
tig anwendbar machen, im Vergleich Grundlagen schaffen und anregend wirken. Viel
leicht entsteht daraus ein kleiner Beitrag zur Vereinheitlichung.
Die Verfasser danken ihren Mitarbeitern für die Mithilfe bei der Reinschrift, beim
Anfertigen der Bilder sowie Tabellen und beim Lesen der Korrekturen. Besonderer
Dank gebührt dem Springer-Verlag für die angenehme Zusammenarbeit und die gute Aus
stattung des Buches.
Kaiserslautern und Dortmund, im Herbst 1985 W. Steinhilper R. Röper
Inhaltsverzeichnis
5 Verbindungselemente und -verfahren .....•....•.............................• 1
5.1 Formschlüssige Verbindungen ............................................ 2
5.1.1 Nietverbindungen ................................................. 2
5.1.2 Bolzen- und Stiftverbindungen .................................... 15
5.1.3 Formschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen ........................... 19
5.1.3.1 Querstift unter Drehmoment ............................... 20
5.1.3.2 Längsstift unter Drehmoment ....................•......... 20
5.1. 3.3 Paßfederverbi ndungen ..................................... 21
5.1.3.4 Scheibenfederverbindungen ...•............................ 27
5.1.3.5 Profilwellenverbindungen ................................. 27
5.1.3.5.1 Keilwellenverbindungen ......................•.. 29
5.1.3.5.2 Zahnwellenverbindungen ........................• 30
5.1.3.5.3 Polygonverbindungen ............................ 33
5.2 Kraftschlüssige Verbindungen ........................................... 37
5.2.1 Keilverbindungen .....................•........................... 39
5.2.1.1 Querkei 1v erbi ndungen ..................................... 40
5.2.1.2 Längskei 1v erbi ndungen .................................... 40
5.2.1.3 Tangentialkeilverbindungen ............................... 47
5.2.2 Kegelverbindungen ................................................ 47
5.2.2.1 Kegelsitzverbindungen ........................ ~ ........... 48
5.2.2.2 Spannelementverbindungen ................................. 51
5.2.2.2.1 Ringfeder-Spannelemente ........................ 51
5.2.2.2.2 Spannsätze ..................................... 60
5.2.2.2.3 Taper-Lock-Spannbuchsen ....................•... 63
5.2.3 Verbindungen mit elastischen Zwischengliedern .................... 64
5.2.3.1 Druck- und Zughülsen ..................................... 64
5.2.3.2 Sternschei ben ............................................ 66
5.2.3.3 Toleranzringe ..•......................................... 68
5.2.3.4 Zyl inderspannringe ....................................... 68
5.2.3.5 ETP-Spannbuchse ....•..................................... 70
VIII
5.2.4 Preßverbi ndungen ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71
5.2.4.1 Beanspruchung der Nabe und der Welle ..................... 72
5.2.4.2 Preßverbindung mit Pressung p in der Fügefläche .......... 76
5.2.4.3 Querpreßsitze ............................................ 85
5.2.4.4 Längspreßsitze ........................................... 87
5.2.4.5 Berechnung unter äußerer Belastung und bei elastisch-
plastischer Beanspruchung ................................ 88
5.2.5 Druckölpreßverbände .............................................. 91
5.2.6 Klemmverbindungen ................................................ 93
5.2.6.1 Biegeweiche Nabe .............. ' .......................... 95
5.2.6.2 Biegesteife Nabe ......................................... 96
5.2.6.3 Kippkraft-Klemmverbindungen .............................. 99
5.3 Stoffschlüssige Verbindungen ........................................... 99
5.3.1 Kl ebverbi ndungen ................................................. 100
5.3.1.1 Klebstoffe ............................................... 101
5.3.1.2 Vorbehandlung der Fügeflächen ............................ 102
5.3.1.3 Gestaltung von Klebverbindungen .......................... 103
5.3.1.4 Berechnung von Klebverbindungen .......................... 107
5.3.2 Lötverbi ndungen .................................................. 114
5.3.2.1 Lote ..................................................... 116
5.3.2.2 Vorbehandlung der Fügeflächen ............................ 117
5.3.2.3 Lötvorgang und Lötverfahren .............................. 118
5.3.2.4 Gestaltung von Lötverbindungen ........................... 120
5.3.2.5 Berechnung von Lötverbindungen ........................... 124
5.3.3 Schweißverbindungen .............................................. 125
5.3.3.1 Schwei ßverfahren ......................................... 126
5.3.3.2 Schweißbarkeit der Werkstoffe ............................ 129
5.3.3.3 SChweißspannungen und -schrumpfungen ..................... 133
5.3.3.4 Schweißstöße und Schweißnahtvorbereitung ................. 135
5.3.3.5 Schweißnahtgüte, Sicherung der Güte von Schweißarbeiten .. 137
5.3.3.6 Schweißnahtpositionen .................................... 140
5.3.3.7 Gestaltung von Schweißnähten ............................. 141
5.3.3.8 Berechnung von Schweißnähten ............................. 153
5.3.3.8.1 Schweißverbindungen im Maschinenbau ............ 160
5.3.3.8.2 Schweißverbindungen im Stahlbau ................ 168
5.3.3.8.3 Schweißverbindungen im Kranbau ................. 168
5.3.3.8.4 Festigkeitsnachweis nach DV 952 für Fahrzeuge,
Maschinen und Geräte und nach DV 804 für stäh-
lerne Eisenbahnbrücken ......................... 176
5.3.3.8.5 Berechnung von Punktschweißverbindungen ........ 176·
5.4 Berechnungsbeispiele ................................................... 179
IX
Schrifttum zu Kapitel 5 .................................................... 204
6 Schrauben und Schraubenverbindungen ........................................ 217
6.1 Die Schraube als Maschine und Befestigungselement ...................... 217
6.1.1 Das Schraubenprinzip ............................................. 217
6.1.2 Gewinde .......................................................... 219
6.1.3 Gebräuchliche Gewindearten ....................................... 222
6.1.3.1 Befestigungsgewinde ...................................... 222
6.1.3.2 Gewinde für Rohre, Fittings und Armaturen ................ 223
6.1.3.3 Bewegungsgewinde ......................................... 225
6.1.3.4 Sondergewinde für Spezial schrauben (Auswahl!) ............ 228
6.1. 4 Gewi ndekräfte und -momente ....................................... 229
6.2 Schraubenverbi ndungen .................................................. 233
6.2.1 Befestigungsschrauben ............................................ 234
6.2.2 Muttern und Zubehör .............................................. 240
6.2.3 Herstellung von Schrauben und Muttern ............................ 242
6.2.4 Werkstoffe für Schrauben und Muttern ............................. 244
6.2.5 Haltbarkeit von Schrauben-Verbindungen ........................... 248
6.2.5.1 Zügige Belastung von Gewinde und Schaft .................. 250
6.2.5.2 Auszugsfestigkeit der Gewinde ............................ 252
6.2.5.3 Die Dauerfestigkeit der Gewindeverbindung ................ 254
6.2.5.4 Flächenpressung an der Schraubenkopf- und der Mutter-
aufl agefl äche ............................................ 257
6.3 Kräfte und Spannungen in Schraubenverbindungen ......................... 258
6.3.1 Die vorgespannte Einschraubenverbindung .......................... 262
6.3.1.1 Die Nachgiebigkeit der Bauteile .......................... 262
6.3.1.2 Der Vorspannungszustand .................................. 266
6.3.2 Schraubenverbindung mit Schraube im Nebenschluß .................. 268
6.3.3 Einschraubenverbindung im Hauptschluß. Betriebszustand ........... 270
6.3.3.1 Betriebskräfte ........................................... 276
6.3.4 Reales Verhalten verspannter Teile ............................... 278
6.3.5 Systematische Berechnung der SChraubenverbindung ................. 280
6.3.5.1 Querbelastete Schraubenverbindung ........................ 285
6.3.5.2 Längsbelastete Schraubenverbindung ....................... 289
6.4 Montage der Schraubenverbindung ........................................ 293
6.4.1 Montage durch Anziehen ........................................... 293
6.4.1.1 Handmontage .............................................. 295
6.4.1.2 Drehmomentgesteuertes Anziehen ........................... 296
6.4.1.3 Anziehen mit Verlängerungsmessung ........................ 297
6.4.1.4 Winkelanziehverfahren .................................... 297
x
6.4.1.5 Streckgrenzengesteuertes Anziehverfahren ................. 298
6.4.1.6 Anziehen mit Schlagschraubern ............................ 299
6.4.2 Montage durch Anspannen .......................................... 299
6.4.2.1 Montage durch Wärmedehnung ............................... 300
6.4.2.2 Hydraulisches Anspannen .................................. 300
6.5 Gestaltung von Schraubenverbindungen ................................... 301
6.5.1 Anordnung von Schraubenverbindungen .............................. 301
6.5.2 Gewährleistung und Erhöhung der Tragfähigkeit .................... 306
6.5.2.1 Erhöhung der Festigkeit .................................. 307
6.5.2.2 Reduktion der Belastung .................................. 309
6.5.2.3 Umlagerung ungleicher Spannungsverteilung ................ 313
6.5.3 Sicherung der Schraubenverbindungen ...................... ....... 316
~
6.5.3.1 Lockern der Schraubenverbindung .......................... 317
6.5.3.2 Losdrehen der Schraubenverbindung ........................ 319
6.6 Bewegungsschrauben ..................................................... 322
6.6.1 Bauformen ........................................................ 322
6.6.2 Berechnung ....................................................... 323
6.7 Berechnungsbeispiele ................................................... 326
6.7.1 Querbelastete Schraubenverbindung ................................ 326
6.7.2 Verbindungen mit Schrauben im Hauptschluß ........................ 331
6.7.2.1 Kolbenbefestigung ........................................ 331
6.7.3 Hubsp'indel ....................................................... 337
Schrifttum zu Kapitel 6 .................................................... 339
7 Elastische Elemente, Federn ................................................ 349
7.1 Federkennlinie, Federrate, Federarbeit und -dämpfung ................... 350
7.2 Federwerkstoffe ........................................................ 354
7.3 Zusammenschaltung von Federn ........................................... 355
7.3.1 Parallelschaltung ................................................ 355
7.3.2 Hintereinanderschaltung .......................................... 358
7.3.3 Mischschaltung ................................................... 359
7.4 Beanspruchung von Federn ............................................... 361
7.4.1 Zug-/druckbeanspruchte Federn .................................... 361
7.4.1.1 Stabfedern ............................................... 361
7.4.1.2 Ringfedern ............................................ '" 362
7 .4.2 Torsionsbeanspruchte Federn ...................................... 366
7.4.2.1 Drehstabfedern ........................................... 367
7.4.2.2 Schraubenfedern .......................................... 372