Maschinenelemente: Normung, Berechnung, Gestaltung

623 Pages·1976·33.091 MB·German

by  Hermann Roloff, Wilhelm Matek (auth.)

Hermann Roloff I Wilhelm Matek
Maschinen
elemente
Normung Berechnung Gestaltung
unter Mitarbeit von Dieter Muhs und Herbert Wittel
7" durchgesehene und verbesserte Auflage
Mit 436 Bildern, 48 Tabellen und einem Tabellenanhang
.
» vleweg
Viewegs
Fachbücher
der
Technik
Verlagsredaktion: Willy Ebert
1976
Alle Rechte vorbehalten
© Springer Fachmedien Wiesbaden 1976
Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1976
Softcover reprint of the hardcover 7th edition 1 976
Die Vervielfältigung und Übertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen oder Bilder, auch
für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie mit dem Verlag
vorher vereinbart wurden. Im Einzelfall muß über die Zahlung einer Gebühr für die Nutzung
fremden geistigen Eigentums entschieden werden. Das gilt für die Vervielfältigung durch alle
Verfahren einschließlich Speicherung und jede Übertragung auf Papier, Transparente, Filme,
Bänder, Platten und andere Medien. Dieser Vermerk umfaßt nicht die in den §§ 53 und 54 URG
ausdrücklich erwähnten Ausnahmen.
Satz: Vieweg, Braunschweig
ISBN 978-3-528-14028-1 ISBN 978-3-322-85909-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-85909-9
Vorwort zur 7. Auflage
Dieses Lehrbuch wurde in erster Linie für den Unterricht an Technikerschulen (Fach
schulen Technik) und Fachhochschulen entwickelt; aber auch die in der Praxis stehenden
Techniker und Ingenieure werden wertvolle Hinweise und Anregungen für ihre Arbeit
finden.
Die 6. Auflage des Lehrbuchs war gekennzeichnet durch eine sorgfältige Überarbeitung,
eine teilweise Erweiterung und durch die Umstellung sämtlicher Einheiten auf das gesetz
liche, internationale SI-System. In der vorliegenden 7. Auflage wurde an Stoffumfang und
Gliederung des Inhalts nichts geändert. An einigen Stellen sind jedoch als zweckmäßig
erachtete Verbesserungen und Änderungen sowie Druckfehlerkorrekturen im Text, in den
Tabellen und in den Abbildungen vorgenommen worden. Dabei wurden die neuesten
Normen berücksichtigt. Daraus ergaben sich auch Berichtigungen in den ausftihrlichen
Berechnungsbeispielen, die den einzelnen Kapiteln zugeordnet sind. Soweit es möglich
war, haben wir bei der Bearbeitung den zahlreichen Wünschen und Anregungen der
Benutzer des Buches Rechnung getragen.
Wie bisher ist dem Lehrbuch ein separater Anhang beigegeben, der wichtige Tabellen und
Schaubilder für die Berechnung und Konstruktion enthält. Der Benutzer hat dadurch
einen schnellen und sicheren Zugriff zu den benötigten Daten. Im Lehrbuch sind nur
solche Tafeln und Diagramme aufgeflihrt, die unmittelbar mit dem Inhalt des Kapitels
verbunden und deshalb zum Verständnis des Lehrtextes notwendig sind.
Eine Aufgabensammlung mit zahlreichen praxisnahen Aufgaben ergänzt das Lehrbuch
und stellt eine wichtige Hilfe für den Unterricht und das Selbststudium dar. Sie enthält
zu jeder gestellten Aufgabe in einem gesonderten Abschnitt Lösungshinweise als Denk
anstöße, die es dem Studierenden ermöglichen, bei stagnierenden Erfolgen einen Lösungs
weg zu finden. Die Lösung kann außerdem mit den Werten im Ergebnisteil der Aufgaben
sammlung verglichen werden. Aufgabensammlung und Lehrbuch sind aufeinander abge
stimmt.
Für die Unterrichtsgestaltung ist zusätzlich eine Sammlung von Arbeitstransparenten
erschienen.
Abschließend möchten wir den Firmen danken, die durch Überlassung von Zeichnungen
und anderen Unterlagen unsere Arbeit wesentlich unterstützt haben. Ebenso sei den
Benutzern für die Anregungen und Hinweise gedankt, zugleich in der Hoffnung, daß sie
auch weiterhin zur Verbesserung des Buches beitragen werden.
Wilhelm Matek
Dieter Muhs
Herbert Wittel
Nürnberg, Braunschweig, Reutlingen, im Februar 1976
Inhaltsverzeichnis
1. Allgemeine Grundlagen 1
1.1. Grundbegriffe und Arten der Maschinenelemente
1.2. Allgemeine Gestaltungs-und Berechnungsregeln
1.2.1. Zeichnung
1.2.2. Stückliste 2
1.2.3. ZeichnungspIÜfung 2
1.2.4. Gestaltung 3
1.2.5. Berechnung 4
1.3. Wertanalyse von Konstruktionen 5
1.3.1. Allgemeines 5
1.3.2. Grundbegriffe 5
1.3.3. Beispiele 6
1.3.4. Abschließende Betrachtungen 10
1.4. Normen und Literatur 11
2. Normzahlen und Passungen 12
2.1. Allgemeines 12
2.2. Normzahlen (Vorzugszahlen) 12
2.2.1. Bedeutung und Aufbau der Normzahlen 12
2.2.2. Anwendung der Normzahlen 13
2.3. Normmaße (Vorzugsmaße) 14
2.4. ISO-Passungen 14
2.4.1. Grundbegriffe 14
2.4.2. Toleranzsystem 15
2.4.3. Paßsysteme 17
2.4.4. Passungsarten 18
2.5. Maß toleranzen 19
2.6. Maße ohne Toleranzangaben 20
2.7. Eintragung von Toleranzen in Zeichnungen 20
2.8. Prüfen der Maßhaltigkeit 21
2.9. Verwendungsbeispiele für Passungen 21
2.10. Berechnungsbeispiele 23
2.11. Normen und Literatur 27
3. Festigkeit und zulässige Spannung 28
3.1. Allgemeines 28
3.2. Beanspruchungs-und Belastungsarten 28
3.2.1. Beanspruchungsarten 28
3.2.2. Belastungsarten 28
3.2.3. Formelzeichen für Spannungen und Festigkeiten 29
3.3. Statische Belastung 29
3.3.1. Festigkeitsbegriffe 30
3.3.2. Gewaltbruch 31
3.3.3. Zulässige Spannung bei statischer Belastung 31
3.4. Dynamische Belastung 33
3.4.1. Dauerfestigkeitsbegriffe 33
3.4.2. Dauerfestigkeitsschaubilder und Dauerfestigkeitswerte 35
3.4.3. Dauerfestigkeitsbeeinflussende Wirkungen 36
Inhaltsverzeichnis V
3.4.4. Dauerbruch 41
3.4.5. Gestaltfestigkeit 41
3.4.6. Zulässige Spannung bei dynamischer Belastung 43
3.4.7. Sicherheit gegen Dauerbruch 44
3.5. Berechnungsbeispiele 44
3.6. Normen und Literatur 47
4. Klebverbindungen 48
4.1. Al1gemeines 48
4.2. Klebstoffarten 49
4.2.1. Allgemeine Übersicht 49
4.2.2. Lösungsmittelklebstoffe 49
4.2.3. Reaktionsklebstoffe 50
4.3. Herstellen von Klebverbindungen 50
4.3.1. Vorbehandeln der Klebflächen 51
4.3.2. Kleben 51
4.4. Eigenschaften der Klebverbindungen 52
4.4.1. Physikalische Eigenschaften 52
4.4.2. Mechanische Eigenschaften 53
4.5. Berechnung der Klebverbindungen 57
4.6. Gestaltung der Klebverbindungen 57
4.7. Berechnungsbeispiel 59
4.8. Normen und Literatur 60
5. Lötverbindungen 61
5.1. Al1gemeines 61
5.2. Lotarten 61
5.2.l. Weichlote 62
5.2.2. Hartlote 62
5.3. Lötverfahren 62
5.3.l. Kolbenlötung 63
5.3.2. Flammenlö tung 63
5.3.3. Tauchlötung 63
5.3.4. Ofenlötung 63
5.3.5. Widerstands-und Induktionslötung 63
5.3.6. Sonstige Lötverfahren 63
5.4. Festigkeitseigenschaften und Berechnung der Lötverbindungen 63
5.5. Gestaltung der Lötvcrbindungen 64
5.6. Normen und Literatur 65
6. Schweißverbindungen 66
6.1. Allgemeines 66
6.2. Schweißverfahren 66
6.2.1. Gasschweißen (Au togenschweißen) 67
6.2.2. Lichtbogenschweißen 67
6.2.3. Elektronenstrahlschweißen 67
6.2.4. Preßschweißen 68
6.3. Schweißbarkeit der Werkstoffe 68
6.3.1. Stahl, Stahlguß, Gußeisen 68
6.3.2. Nichteisenmetal1e 69
6.3.3. Kunststoffe 69
6.4. Schweißzusatzwerkstoffe, Wahl des Schweißverfahrens 69
VI Inhaltsverzeichnis
6.4.1. Zusatzwerkstoffe 69
6.4.2. Wahl des Schweißverfahrens 70
6.5. Nahtarten-und Formen, Gütesicherung 70
6.5.1. Stumpfnaht 71
6.5.2. Kehlnaht 71
6.5.3. Stirnnaht 72
6.5.4. Gütesicherung der Schweißverbindungen 73
6.6. Schweißverbindungen im Stahlbau 73
6.6.1. Allgemeine Richtlinien 73
6.6.2. Werkstoffe 74
6.6.3. Abmessungen der Schweißnähte 74
6.6.4. Berechnung der Schweißverbindungen im Stahlbau 75
6.6.5. Besonderer Hinweis zur Berechnung und Ausführung 78
6.6.6. Berechnung geschweißter Bauteile 78
6.7. Schweißverbindungen im Kessel-und Behälterbau 79
6.7.1. Allgemeine Richtlinien 79
6.7.2. Werkstoffe 80
6.7.3. Berechnung geschweißter Dampfkessel und Druckbehälter 80
6.8. Schweißverbindungen im Maschinenbau 82
6.8.1. Allgemeine Richtlinien 82
6.8.2. Berechnung der Schweißverbindungen im Maschinenbau 82
6.9. Punktschweißverbindungen 85
6.9.1. Allgemeine Richtlinien 85
6.9.2. Berechnung der Punktschweißverbindungen 85
6.9.3. Gestaltung der Punktschweißverbindungen 86
6.10. Darstellung und Gestaltung der Schweißverbindungen 87
6.10.1. Zeichnerische Darstellung 87
6.10.2. Allgemeine Gestaltungsrichtlinien 91
6.10.3. Gestaltungsbeispiele 91
6.11. Berechnungsbeispiele 94
6.12. Normen und Literatur 103
7. Nietverbindungen 104
7.1. Allgemeines 104
7.2. Die Niete 104
7.2.1. Nietformen 104
7.2.2. Nietwerkstoffe 104
7.2.3. Bezeichnung der Niete 106
7.3. Herstellung der Nietverbindungen 106
7.3.1. Allgemeine Hinweise 106
7.3.2. Warmnietung, Kaltnietung 107
7.4. Verbindungsarten, Schnittigkeit 107
7.5. Nietverbindungen im Stahlbau 108
7.5.1. Allgemeine Richtlinien 108
7.5.2. Berechnung der Bauteile 108
7.5.3. Berechnung der Niete und Nietverbindung 115
7.5.4. Gestaltung der Nietverbindungen im Stahlbau 119
7.6. Nietverbindungen im Kessel-und Behälterbau 119
7.7. Nietverbindungen im Maschinen-und Apparatebau 120
7.8. Nietverbindungen im Leichtmetallbau 120
7.8.1. Allgemeine Richtlinien 120
7.8.2. Aluminiumniete 121
Inhaltsverzeichnis VII
7.8.3. Werkstoffe 121
7.8.4. Berechnung der Bauteile und Niete 121
7.8.5. Gestaltung der Nietverbindungen im Leichtmetallbau 122
7.9. Berechnungsbeispiele 123
7.10. Normen und Literatur 128
8. Schraubenverbindungen 129
8.1. Allgemeines 129
8.2. Gewinde 129
8.2.1. Gewindearten 129
8.2.2. Gewindebezeichnungen 130
8.2.3. Geometrische Beziehungen 131
8.3. Herstellung, Ausführung und Werkstoffe der Schrauben und Muttern 131
8.3.1. Herstellung 131
8.3.2. Ausführung und Werkstoffe 132
8.4. Schrauben-und Mutternarten 132
8.4.l. Schraubenarten 132
8.4.2. Mutternarten 134
8.4.3. Sonderformen von Schrauben, Muttern und Gewindeteilen 135
8.4.4. Bezeichnung genormter Schrauben und Muttern 136
8.5. Scheiben und Schraubensicherungen 136
8.5.1. Scheiben 136
8.5.2. Schraubensicherungen 137
8.6. Nicht vorgespannte und vorgespannte Verbindungen mit Befestigungsschrauben 139
8.7. Kraft-und Verformungsverhältnisse bei vorgespannten Schraubenverbindungen 139
8.7.1. Kräfte und Verformungen im Montagezustand 139
8.7.2. Kräfte und Verformungen bei statischer Betriebskraft als Längskraft 142
8.7.3. Kräfte und Verformungen bei dynamischer Betriebskraft als Längskraft 143
8.7.4. Einfluß der Krafteinleitung und die Verbindung 144
8.7.5. Kraftverhältnisse bei statischer oder dynamischer Querkraft 145
8.8. Setz-und Lockerungsverhalten der Schraubenverbindungen 146
8.9. Pressung an den Auflageflächen 148
8.10. Mutterhöhe, Einschraublänge, Gewinde' und Schraubenüberstand 148
8.11. Dauerhaltbarkeit der Schraubenverbindungen 149
8.11.1. Aussch lagfe stigke it 149
8.11.2. Maßnahmen zur Erhöhung der Dauerhaltbarkeit 150
8.12. Montagevorspannkraft, Anziehfaktor 153
8.13. Anziehen (Festdrehen) der Schraubenverbindung, Anzugsmoment 155
8.13.1. Kräfte am Gewinde, Gewindereibungsmoment 155
8.13.2. Anzugsmoment (Festdrehmoment) 157
8.14. Lösen der Schraubenverbindung, Sicherungsmaßnahmen 158
8.14.1 Losdrehmoment 158
8.14.2. Selbsttätiges Losdrehen, Lockern der Verbindung 158
8.14.3. Sicherungsmaßnahmen, Anwendung der Sicherungselemente 159
8.15. Maximale Beanspruchung und Ausnutzung der Schrauben 159
8.15.1. Reduzierte Spannung 159
8.15.2. Maximale Schraubenkraft 160
8.16. Praktische Berechnung der Befestigungsschrauben im Maschinenbau 160
8.16.1. Nicht vorgespannte Schrauben 161
8.16.2. Vorgespannte Schrauben, Rechnungsgang 161
8.17. Schraubenverbindungen im Stahlbau 163
VIII Inhaltsverzeichnis
8.17.I. Anwendung 163
8.17.2. Schraubenarten 163
8.17.3. Zug-und Druckstabanschlüsse 164
8.17.4. Konsolanschlüsse 167
8.18. Bewegungsschrauben 169
8.18.I. Überschlägige Berechnung, Vorwahl des Gewindedurchmessers 169
8.18.2. Nachprüfung auf Festigkeit 170
8.18.3. Nachprüfung auf Knickung 172
8.18.4. Muttergewinde (Führungsgewinde ) 173
8.18.5. Wirkungsgrad der Bewegungsschrauben 174
8.19. Berechnungsbeispiele 174
8.20. Normen und Literatur 185
9. Bolzen-, Stiftverbindungen und Sicherungselemente 186
9.1. Allgemeines 186
9.2. Bolzen 186
9.2.I. Formen und Verwendung 186
9.2.2. Berechnung der Bolzenverbindungen 187
9.3. Stifte 189
9.3.I. Formen und Verwendung 189
9.3.2. Berechnung der Stiftverbindungen 191
9.4. Bolzensicherungen 193
9.4.I. Sicherungsringe 193
9.4.2. Splinte 194
9.4.3. Stel\ringe 194
9.4.4. Achshalter 194
9.5. Gestaltung von Bolzen-und Stiftverbindungen 194
9.6. Berechnungsbeispiele 197
9.7. Normen und Literatur 200
10. Elastische Federn 201
10. I. Allgemeines 201
10.2. Federkennlinien 201
10.2.1. Lineare Kennlinien 201
10.2.2. Gekrümmte Kennlinien 202
10.3. Federungsarbeit 202
10.4. Federwerkstoffe, ihre Eigenschaften und Verwendung 203
10.4.1. Federstahl 203
10.4.2. Nichteisenmetal\e 203
10.4.3. Nich tmetallische Federwerkstoffe 203
10.5. Zug-und druckbeanspruchte Federn aus Metall 204
10.5.I. Aufbau, Federwirkung 205
10.5.2. Verwendung 205
10.5.3. Berechnung 206
10.6. Biegebeanspruchte Federn aus Metall 206
10.6.I. Rechteck-und Dreieck-Blattfedern 206
10.6.2. Mehrschicht-Blattfedern 208
10.6.3. Drehfedern (Schenkelfedern) 209
10.6.4. Spiralfedern 211
10.6.5. Tel\erfedern 212
10.7. Drehbeanspruchte Federn aus Metall 217
Inhaltsverzeichnis IX
10.7.1. Drehstabfedern 217
10.7.2. Zylindrische Schraubenfedern mit Kreisquerschnitt 219
10.7.3. Zylindrische Schraubenfedern mit Rechteckquerschnitt 226
10.7.4. Kegelige Schraubenfedern 226
10.8. Federn aus Gummi 227
10.8.1. Eigenschaften 227
10.8.2. Berechnung 228
10.8.3. Ausführung, Anwendung, Gestaltung 230
10.9. Berechnungsbeispiele 231
10.10. Normen und Literatur 241
11. Achsen, Wellen und Zapfen 242
11.1. Allgemeines 242
11.2. Werkstoffe und Herstellung 243
11.3. Berechnung der Achsen und Wellen 243
11.3.1. Allgemeine Hinweise 243
11.3.2. Ermittlung der Drehmomente und Biegemomente 245
11.3.3. Berechnung der Achsen 247
11.3.4. Berechnung der Wellen 249
11.3.5. Auszuführende Achsen-und Wellendurchmesser 252
11.3.6. Verformungen der Achsen und Wellen 253
11.4. Kritische Drehzahl 258
11.4.1. Schwingungen, Resonanz 258
11.4.2. Biegekritische Drehzahl 258
11.4.3. Verdrehkritische Drehzahl 259
11.4.4. Allgemeine Hinweise, Folgerungen für die Gestaltung 260
11.5. Berechnung der Zapfen 261
11.5.1. Achszapfen 261
11.5.2. Wellenzapfen 261
11.5.3. Genormte Wellenzapfen 263
11.5.4. Einzelzapfen 263
11.6. Gestaltung der Achsen, Wellen und Zapfen 264
11.6.1. Allgemeine Gestaltungsrichtlinien 264
11.6.2. Sonderausführungen 266
11. 7. Berechnungsbeispiele 268
11.8. Normen und Literatur 278
12. Elemente zum Verbinden von Wellen und Nabe 279
12.1. Allgemeines 279
12.2. Reibschlüssige Verbindungen 279
12.2.1. Klemmverbindung 279
12.2.2. Kegelverbindung 282
12.2.3. Ringfeder-Spannverbindung 284
12.2.4. Zylindrische Preßpassungen 288
12.3. Formschlüssige Verbindungen 294
12.3.1. Keilwellenverbindung 294
12.3.2. Kerbverzahnung 295
12.3.3. Stirnverzahnung (Hirthverzahnung) 296
12.3.4. Polygonprofil 296
12.3.5. Paßfederverbindungen 297
12.4. Vorgespannte formschlüssige Verbindung, Keilverbindungen 299
x
Inhaltsverzeichnis
12.4.1. Anwendung 299
12.4.2. Keilformen 300
12.4.3. Berechnung 301
12.4.4. Gestaltung 301
12.5. Berechnungsbeispiele 302
12.6. Normen und Literatur 309
13. Ku lungen 310
13.1. Allgemeines, Einteilung, Eigenschaften 310
13.2. Berechnungsgrundlagen zur Kupplungswahl 310
13.2.1. Anfahrmoment, zu übertragendes Kupplungsmoment 310
13.2.2. Betriebsverhalten von Antriebs-und Arbeitsmaschinen 312
13.2.3. Beschleunigungsmoment, Massenträgheitsmoment 314
13.2.4. Maximales Kupplungsmoment 316
13.2.5. Fiktives Kupplungsmoment, Wahl der Kupplungsgröße 318
13.3. Nicht schaltbare, starre Kupplungen 319
13.3.1. Scheibenkupplung 319
13.3.2. Schalenkupplung 320
13.4. Nicht schaltbare, nachgiebige Kupplungen 321
13.4.1. Formschlüssige, getriebebewegliche Kupplungen 321
13.4.2. Formschlüssige, drehnachgiebige elastische Kupplungen 323
13.5. Schaltbare Kupplungen 327
13.5.1. Fremdbetätigte Schaltkupplungen 327
13.5.2. Momentbetätigte Schaltkupplungen (Sicherheitskupplungen) 334
13.5.3. Drehzahlbetätigte Schaltkupplungen (Fliehkraftkupplungen) 335
13.5.4. Richtungsbetätigte Schaltkupplungen 338
13.6. Berechnungsbeispiele 338
13.7. Normen und Literatur 341
14. Lager 342
14.1. Allgemeines 342
14.1.1. Lagerarten 342
14.1.2. Eigenschaften 343
14.1.3. Verwendung der Gleit-und Wälzlager 343
14.2. Wälzlager 344
14.2.1. Aufbau, Wälzkörperformen und Werkstoffe 344
14.2.2. Standard-Bauformen der Wälzlager, ihre Eigenschaften und Verwendung 344
14.2.3. Sonder-Bau formen 349
14.2.4. Baumaße und Kurzzeichen für die Wälzlager 349
14.2.5. Lagerauswahl 351
14.2.6. Berechnung umlaufender Wälzlager 351
14.2.7. Höchstdrehzahlen 356
14.2.8. Berechnung stillstehender oder langsam umlaufender Wälzlager 357
14.2.9. Gestaltung der Lagerstellen 358
14.2.10. Schmierung der Wälzlager 361
14.2.11. Lagerdichtungen 363
14.2.12. Gestaltungsbeispiele flir Wälzlagerungen 366
14.2.13. Berechnungsbeispiele für Wälzlager 371
14.3. Gleitlager 378
14.3.1. Grundlagen der Schmierungs-und Reibungsverhältnisse 378