Maschinenelemente: Band I Konstruktion und Berechnung von Verbindungen, Lagern, Wellen

412 Pages·1981·19.524 MB·German

by  Dr.-Ing., Dr.-Ing. E. h. Gustav Niemann (auth.)

G.Niemann
Maschinen
elemente
Band I
Konstruktion und Berechnung
von Verbindungen, Lagern, Wellen
Zweite, neubearbeitete Auflage
unter Mitarbeit von M. Hirt
Berichtigter Nachdruck ·
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1981
Dr.-Ing., Dr.-Ing. E. h. Gustav Niemann
o. Professor em. für Maschinenelemente
an der Technischen Universität München
Dr.-Ing. Manfred Hirt
ehern. Mitarbeiter am Institut für Maschinenelemente
der Technischen Universität München
Mit 289 Abbildungen
ISBN 978-3-662-26969-5 ISBN 978-3-662-28446-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-28446-9
Library of Congress Cataloging in l'ubllcatlon Data
Niemann, Gustav, 1899-Masohlnenelemente. lnoludes bibllograpbles and Index.
Contents: Bd. 1. Konstruktion und Berechnung von Verbindungen, Lagern, Wellen. 1. Macblnery·Design. 2. Machlne
parts. I. Hirt, Manfred, 1943 - jolnt author. II. Title. TJ2SO.N53 621.8'1 75-8900
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1981
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1981
Softcover reprint of the bardeover 2nd edition 1981
Die Wiedergabe von Gebrauchsna.men, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem
Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche
Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten
wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
Offsetdruck: fotokop wilhelm weihert kg, Darmstadt
Bindearbeiten: Graphischer Betrieb K. Triltsch, Würzburg
2362/3020-543210
Vorwort
Die 1. Auflage dieses Buches, vor 25 Jahren erschienen, hat eine weltweite Verbreitung
gefunden. Es sind englische, japanische, portugiesische, spanische und türkische Aus
gaben bekannt geworden. Damit hat die Zielsetzung, sowohl den Studierenden an
Technischen Universitäten und Fachhochschulen als auch den Konstrukteuren in der
Praxis ein Lehr- und Arbeitsbuch in die Hand zu geben, eine schöne Bestätigung ge
funden.
Diese bewährte Konzeption wurde auch für die Neuauflage beibehalten. Die Neube
arbeitung konnte also auf die Berücksichtigung des heutigen Standes von Wissenschaft
und Praxis auf dem Fachgebiet der Maschinenelemente beschränkt werden. Sie umfaßt
den Fortschritt der Normung und Vereinheitlichung und die jetzt festgelegten SI-Ein
heiten (m, kg, N, kW, K). Durch konsequente Verwendung dieser Einheiten konnte
weitestgehend auf Zahlenwertgleichungen verzichtet werden.
Die Festigkeitsberechnung der Achsen und Wellen - der wohl am häufigsten ge
brauchten Maschinenteile - wurde neu gestaltet. Die verschiedenartigen Kerbwirkun
gen können nunmehr durch Form- und Kerbwirkungszahlen unter Berücksichtigung
der Werkstoffeinflüsse erfaßt werden.
Im Kapitel Werkstoffe ist ein ausführlicher Abschnitt überKunststoffeaufgenommen
worden, der helfen soll, aus der Vielfalt den für die jeweilige Aufgabe günstigsten Werk
stoff zu wählen.
Die Berechnung der Schraubenverbindungen wie auch der Gleitlager lehnt sich an die
nunmehr vorliegenden VDI-Richtlinien an, um so einer einheitlichen Berechnung den
Vorzug zu geben. Die Ausführungen über die Schmierstoffe wurden entsprechend den
heutigen Erkenntnissen erweitert.
Neue Technologien und Bauweisen, wie z. B. das Metallkleben und Leichtmetall
verbindungen, sind behandelt, zahlreiche neue Maschinenelemente aufgenommen wor
den. Genannt seien hier nur neuartige Wellen-Naben-Verbindungen, Ausgleichkupp
lungen, Lagerbauformen, Schrauben, Muttern und Sicherungen.
Es wurde nach wie vor Wert darauf gelegt, zu allen Details praxisgerechte zahlen
mäßige Anhaltswerte und Beispiele anzugeben, damit auf diese Weise schnell und ein
fach eine Auslegung und Berechnung der Maschinenelemente möglich ist.
Durch die laufende Zusammenarbeit mit dem Institut für Maschinenelemente der
Technischen Universität München und besonders mit meinem Nachfolger in der Leitung
dieses Institutes, Prof. Dr.-Ing. H. Winter, der mir wertvolle Anregungen zur Bear
beitung gegeben hat, ist gewährleistet, daß dieses Werk nun dem heutigen Stand der
'rechnik entspricht.
Vor allem danke ich Dr.-Ing. M. Hirt für die Ausarbeitung mehrerer Kapitel, für
zahlreiche Beiträge zu den anderen Kapiteln sowie für die Koordinierung der vielfältigen
Arbeiten, die Durchsicht und das Korrekturlesen des gesamten Text- und Bildmaterials.
VI Vorwort
Im einzelnen danke ich folgenden meiner Mitarbeiter für ihre wertvollen Beiträge:
für die Ausarbeitung von Kapiteln:
Dr.-Ing. M. Hirt (Praktische Festigkeitsberechnung, Werkstoffe, Nietverbin
dung, Schraubenverbindung, Elastische Federn, Gleitlager);
Dr.-lng. G. Lechner (Normen, Löt- und Klebverbindung);
Dipl.-Ing. W. Bley
(S chmierstoffe);
Dr.-lng. G. Lechner
für größere Beiträge:
Dr.-Ing. F. Gartner (Gleitlager);
Dipl.-lng. H. Menzel (Schweißverbindung);
Dipl.-lng. H. Rösch (Wälzpaarungen, Wälzlager);
für Teilbeiträge und Anregungen:
Dr.-Ing. H. Sommerfeldt (Wälzlager); Dipl.-lng. P. Oster (Kunststoffe); Dipl.-Ing.
K. Michaelis (Durchsicht mehrerer Kapitel); Prof. D1·.-lng. K. EhrZenspiel (Ausgleich
kupplungen); Prof. Dr.-Ing. J. Glienicke (Gleitlager); Dr.-Ing. H. Bötsch (Achsen,
Wellen-Verbindungen); Dr.-lng. G. Gackstetter (Wellen-Naben-Verbindung); Dr.-Ing.
K. Michels (Federn); Dr.-lng. K. Stößel (Werkstoffe); Dr.-Ing. Th. Hösel (Schrauben-,
Bolzenverbindung); Prof. Dr.-lng. H. Hertel (Leichtbau); Dr.-Ing. J.Baethge (Festig
keitsrechnung); Prof. Dr.-lng. K. Langenheck (Nietverbindung); Dr.-lng. D. Beister
(Leichtbau) sowie Prof. Dipl.-lng. 0. Knott.
Gedankt sei auch wieder allen Firmen, auf deren Material bei der Neubearbeitung
zurückgegriffen werden konnte, sowie dem Springer-Verlag für die angenehme Zu
sammenarbeit.
München, Juni 1975 G. Niemann
In dem hiermit vorliegenden berichtigten Nachdruck der zweiten Auflage konnten
zahlreiche Druckfehler beseitigt und kleinere Ergänzungen, die sich z. T. aus aktuellen
Entwicklungen ableiten, angebracht werden. Für die entsprechenden Hinweise von Kolle
gen und aus dem übrigen Leserkreis bin ich sehr dankbar.
München, April 1981 G. Niemann
Inhaltsverzeichnis
1 Gesichtspunkte und Arbeitsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Lehren aus der konstruktiven Entwicklung . . . . . . . . . . 1
1.2 Überprüfung der Voraussetzungen und Präzisierung der Aufgabe . 2
1.3 Lösung der Aufgabe . . . . . 3
1.4 DerWeg zu neuen Lösungen . . 4
1.5 Kritik und Auswahl der Lösung . 6
1.6 Ablauf der konstruktiven Arbeit 8
1. 7 Berechnungen . . . . . . 10
1.8 Modelle und Versuche ... 11
1.9 Behandlung von Anständen 11
1.10 Schrifttum zu 1 . . . . . . 12
2 Gestaltungsregeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1 Vorgehen beim Konstruieren .. 14
2.2 Funktion und Wirtschaftlichkeit . . . . . . . . . . . 15
2.3 Funktion und Beanspruchung . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Bedienung und menschliche Maße, Wartung und Sicherheit 17
2.5 Werkstoff und Fertigung 19
2.6 Gußteile . . . . . . . . . . . 20
2.6.1 Wahl des Gießverfahrens 20
2.6.2 Gießvorgang . . . . . . 21
2.6.3 Gestaltungsregeln für Gußteile 22
2.7 Schmiede -und Preßteile . . . . . . 24
2.8 Preß-und Spritzgußteile aus Kunststoffen 25
2.9 Blechteile und Rohre 26
2.10 Bearbeitete Teile . . . . . . . . . . 28
2.10.1 Arbeitsflächen ....... . 28
2.10.2 Oberflächengüte und Taleranzen 29
2.10.3 Bohrungen und Durchbrüche . 30
2.10.4 Gewinde und Zentrierungen 31
2.10.5 Verbindungen .... 31
2.11 Produktform, Linie und Farbe .. 32
2.12 Zusammenbau . . . . . . . . . 32
2.13 Oberfläche, Verschleiß und Korrosion 33
2.13.1 Oberfläche . 33
2.13.2 Verschleiß .... 33
2.13.3 Korrosion . . . . 35
2.14 Schwingung und Geräusch 38
2.14.1 Körperschall . . . 38
2.14.2 Luftschall . . . . 39
2.14.3 Abwehrmaßnahmen . 40
2.15 Schrifttum zu 2 . . . . 41
3 Praktische Festigkeitsrechnung 44
3.1 Ermittlung der Nennspannung 44
3.1.1 Bezeichnungen .... 44
3.1.2 Ermittlung der Kraftgrößen im Querschnitt . 45
3.1.3 Normalspannung aus Längskraft . . . . . 47
3.1.4 Normalspannung zwischen zwei Flächen (Flächenpressung) 47
3.1.5 Normalspannung beim Rohr unter Überdruck . . 47
3.1.6' Normalspannung aus Biegemoment ..... . 48
3.1. 7 Normalspannung beim gekrümmten Biegeträger . 50
VIII Inhaltsverzeichnis
3.1.8 Resultierende Normalspannung aus Längskraft und Biegemomenten 51
3.1.9 Schubspannung aus Querkräften 52
:u .10 Schubspannung aus Torsion . 53
3.1.11 Resultierende Schubspannung 56
3.1.12 Knick-und Beulspannung 56
3.1.13 Spannungen beim Stoß 58
3.2 Statische Festigkeitswerte . . . . . 59
3.2.1 Festigkeitswerte aus Zugversuch 59
3.2.2 .B'estigkeitswerte bei hohen und tiefen Temperaturen 60
3.2.3 Festigkeitswerte bei anderen Belastungsarten . . . 61
3.2.4 Härtewerte . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.5 Statische Festigkeitswerte von gekerbten Bauteilen 62
3.3 Dynamische Festigkeitswerte ..... . 63
3.3.1 Belastungsfälle . . . . . . . . . 63
3.3.2 Dauerfestigkeit und Zeitfestigkeit . 63
3.3.3 Lebensdauer-und Schadenskurve 64
3.3.4 Dauerfestigkeitsschaubilder 65
3.3.5 Praktische Dauerfestigkeitswerte 67
3.3.6 Einflüsse auf die Dauerfestigkeit 67
3.3. 7 Ermittlung der Dauerfestigkeit ohne Kerbwirkung . 69
3.3.8 Ermittlung der Dauerfestigkeit bei Kerbwirkung 69
3.4 Festigkeitswerte bei zusammengesetzter Beanspruchung 75
3.5 Schlagfestigkeit . . . . . . . . 77
3.6 Zulässige Spannung und Sicherheit . . . . 78
3.6.1 Ansatz . . . . . . . . . . . . . 78
3.6.2 Bestimmung des Betriebsfaktors OB 78
3.6.3 Ansatz der Sicherheit . . . . . . 78
3.6.4 Beispiele zur Bestimmung von O'zul 79
3.7 Arten und Aussehen von Brüchen 80
3.8 Schrifttum zu 3 . 82
4 Leichtbau . . . . . . 84
4.1 Impulse und Wege zum Leichtbau 84
4.2 Werkstoffvergleiche mittels Kennwerten 85
4.2.1 Bezeichnungen . . . . . . . . 85
4.2.2 Kennwerte . . . . . . . . . 85
4.3 Form-Leichtbau (werkstoffsparende Gestaltung) 86
4.3.1 Einige Hinweise ..... 86
4.3.2 Günstige Querschnittswahl 89
4.3.3 Weitere Empfehlungen. 90
4.4 Leichtmetall-Leichtban . . . . 91
4.4.1 Vergleichsangaben ... 91
4.4.2 Erreichbare Gewichts-und Kostenminderungen . 91
4.4.3 Bauweise . . . . . . . . . . 92
4.5 Kunststoff-und Verbundstoff-Leichtbau 92
4.5.1 Vergleichsangaben .. 92
4.5.2 Anwendungsgebiete . . 93
4.5.3 Konstruktive Angaben 93
4.6 Schrifttum zu 4 . 93
5 Werkstoße . . . . . 96
5.1 Werkstoffwahl und Bezeichnungen 96
5.1.1 Werkstoffauswahl 96
5.2 Grauguß, Sphäro-, Temper-und Stahlguß 97
5.2.1 Grauguß (GG) . . . . . . . . . 97
5.2.2 Gußeisen mit Kugelgraphit-Sphäroguß (GGG) 100
5.2.3 Temperguß . . . . . . . 100
5.2.4 Stahlguß (GS) . . . . . . . 101
5.3 Stahl (C-Stähle und legierte Stähle) . 102
5.3.1 Einfluß der Legierungszusätze 103
5.3.2 Wärme-und Härtebehandlung 104
5.3.3 Stahlblech . . . . . 107
5.3.4 Profilstähle 107
5.3.5 Allgemeine Baustähle 107
Inhaltsverzeichnis IX
5.3.6 Einsatz-und Nitrierstähle 107
5.3.7 Vergütungsstähle .... 110
5.3.8 Gezogene und Automatenstähle . 110
5.3.9 Federstähle. . . . . . . . . . 110
5.3.10 Warmfeste und zunderbeständige Stähle 113
5.3.11 Rost-und säurebeständige Stähle . . . 113
5.3.12 Werkzeugstähle, Schneidmetall und Sinterhartmetall . 114
5.4 Leichtmetalle . . . . . . . . . . . 115
5.4.1 Aluminium und Al-Legierungen . 115
5.4.2 Magnesium und Mg-Legierungen 118
5.4.3 Titan und Ti-Legierungen 118
5.5 Zink und Kupfer . . . . . . . . 119
5.5.1 Zink-und Zn-Legierungen . 119
5.5.2 Kupfer und Cu-Legierungen 122
5.6 Kunststoffe . . . . . . . . 123
5.6.1 Kunststoffarten . . . . . 123
5.6.2 Aufbau der Kunststoffe . . 125
5.6.3 Eigenschaften der Kunststoffe 125
5.6.4 Einsatzgebiete für Kunststoffe im Maschinenbau 131
5.6.5 Konstruktive Angaben 132
5. 7 Sonstige Werkstoffe . . 132
5.7.1 Sinterwerkstoffe 132
5.7.2 Weitere Hinweise 132
5.8 Schrifttum zu 5 . . . . 132
6 Normen, Toteranzen und Oberflächen 136
6.1 Normen ....... . 136
6.2 Normzahlen ..... . 136
6.3 Taleranzen und Passungen 136
6.3.1 Taleranzen 136
6.3.2 Passungen . . . . 137
6.3.3 Formabweichungen, Freimaßtoleranzen 141
6.4 Oberflächen technischer Körper, Grobgestalt und Feingestalt 143
6.4.1 Allgemeines, Grundbegriffe 143
6.4.2 Oberflächenmaße für die Feingestalt 144
6.4.3 Rauheitsmessung . . . . . . . . . 146
6.4.4 Oberflächengüte und Herstellungsverfahren 147
6.4.5 Kennzeichnung von Oberflächen in Zeichnungen 147
6.5 Schrifttum zu 6 . 148
7 Schweißverbindung 150
7.1 Anwendung 150
7.2 Herstellung 150
7.3 Gestaltung . 152
7.4 Stoß-und Nahtformen 156
7.5 Zeichnungsangaben . . 157
7.6 Festigkeitsberechnung . 157
7.6.1 Bezeichnung .. 157
7.6.2 Nahtspannung . 158
7.6.3 Zulässige Nahtspannung 161
7.7 Schweißen im Maschinenbau 162
7.8 Schweißen im Stahlbau 164
7.9 Schweißen im Kesselbau 166
7.10 Schrif.ttum zu 7 .. 167
8 Löt· und Klebverbindung 168
8.1 Überblick - Löten 168
8.2 Lötverfahren . . . 169
8.3 Gestaltung der Lötverbindung 171
8.4 Überblick - Kleben 172
8.5 Einsatzgebiete . . . . . . . 176
8.6 Klebstoffe, Auswahl und Verarbeitung . 176
8. 7 Gestaltung der Klebverbindung . . . . 178
8.8 Bemessung von Löt-und Klebverbindungen 178
X Inhaltsverzeichnis
8.8.1 Bezeichnungen 178
8.8.2 Berechnung 179
8.9 Schrifttum zu 8 . 180
9 Nietverbindung . . . . 182
9.1 Anwendung .. 182
9.2 Beanspruchung und Bemessung . 183
9.2.1 Bezeichnungen ..... 183
9.2.2 Festigkeitsberechnung für die vernieteten Bauteile . 183
9.2.3 Festigkeitsberechnung für den Niet 185
9.3 Stahlbau-Nietung . 186
9.3.1 Werkstoffe 186
9.3.2 Nietformen 186
9.3.3 Anhaltswerte 187
9.3.4 Gestaltung . . 187
9.3.5 Berechnung . 188
9.3.6 Nieten im Maschinen-und Gerätebau 189
9.4 Leichtmetallbau-Nietung 190
9.4.1 Werkstoffe 190
9.4.2 Nietformen 190
9.4.3 Anhaltswerte 191
9.4.4 Gestaltung . . 191
9.4.5 Berechnung . 192
9.5 Berechnungs-Beispiele . 192
9.6 Schrifttum zu 9 . 193
10 Schraubenverbindungen ... 194
10~1 Verwendung und Herstellung . 194
10.2 Schrauben, Muttern, Zubehör. 196
10.3 Bezeichnungen ...... . 199
10.4 Gewindeformen ...... . 199
10.5 Kraftübersetzung und Wirkungsgrad 202
10.6 Anzugsmoment und Vorspannkraft 203
10.7 Gefahrenquellen ........ . 204
10.8 Beanspruchung und Berechnung 206
10.8.1 Das Verspannungsschaubild 206
10.8.2 Kräfte . . . . . . . . . 208
10.8.3 Steifigkeit von Schraube und Flansch 210
10.8.4 Spannungen und Festigkeit der längsbelasteten Schraube . 210
10.8.5 Querbelastete Schrauben .............. . 214
10.8.6 Bewegungsschrauben . . . . . . . . . . . . . . . . 215
10.8.7 Schrauben bei erhöhten Temperaturen und aus anderen Werkstoffen 217
10.8.8 Beispiele 218
10.9 Schrifttum zu 10 . . 221
11 Bolzen-und Stiftverbindung 222
11.1 Verwendung . 222
11.2 Ausführung 222
11.3 Bezeichnungen 225
11.4 Beanspruchung und Berechnung 225
11.5 Schrifttum zu 11 227
12 Elastische Federn . . . 228
12.1 Verwendung .. 228
12.2 Federarten, Auswahl, besondere Eigenschaften 228
12.3 Bezeichnungen ..... . 229
12.4 Kennlinien und Kennwerte . 230
12.4.1 Feder-Kennlinien . 230
12.4.2 Federsteife 230
12.4.3 Federarbeit . . . . 230
12.4.4 Art-Nutzwert oder Ausnutzungsfaktor 'YJA • 231
12.4.5 Volumen-und Gewichts-Nutzwert . 231
12.4.6 Wirkungsgrad und Dämpfungswert 232
12.5 Festigkeit und zulässige Beanspruchung 232
12.5.1 Festigkeit . . . . . . . . . . . 232