Lösbare Verbindungen

Lösbare Verbindungen

Lösbare Verbindungen müssen bereits während des Konstruktionsprozesses berücksichtigt werden, um somit beispielsweise Verschleißteile leicht austauschen zu können. Diese Verbindungen können ohne Zerstörung der jeweiligen Komponenten gelöst werden. Zu dieser Art der Verbindung zählen unter anderem Schrauben, Stift- und Bolzenverbindungen, aber auch Welle-Nabe-Verbindungen.

  • Reibschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen

    Das Fügen von Teilen mit einem Pressvorgang schafft haltbare und rüttelsichere Verbindungen, die große und schlagartig einsetzende oder wechselnde Kräfte übertragen können. Da sie keine Verbindungselemente wie Passfedern oder Längskeile enthalten, die als Kerben wirkende Nuten benötigen, haben sie eine hohe Gestaltfestigkeit (Betriebsfestigkeit).

    Sie werden im Getriebe-, Großmaschinen- und Kranbau angewendet, wo es mitunter keine andere Möglichkeit zum Übertragen großer Kräfte bzw. Momente gibt. So werden umlaufende Maschinenteile wie Zahnräder, Laufräder, Turbinenläufer, Gebläseräder, Ankerscheiben u. dgl. auf Achsen oder Wellen gepresst. Auch im Gerätebau und in der Feinwerktechnik bieten sich viele Möglichkeiten zur wirtschaftlichen Anwendung der Pressverbände. In DIN 7190 werden Berechnungsgrundlagen und Gestaltungsregeln angegeben.


    Film: Welle-Nabe-Verbindungen am Beispiel der Keilwelle

    Player wird geladen…

    Fügevorgang und Gestaltung

    Zur Herstellung eines Pressverbandes ist eine Übermaßpassung mit einem Übermaß U erforderlich, wobei der Bohrungsdurchmesser kleiner als der Wellendurchmesser ist.

    Infolge dieses Übermaßes werden die Fügeflächen von Außenteil (Nabe) und Innenteil (Welle) aufeinander gepresst und durch Haftreibung die Übertragung von Umfangskräften, Längskräften oder beiden ermöglicht.

    Grundlagen der Berechnung zylindrischer Pressverbände

    Ein Pressverband muss an den Fügeflächen einen genügend hohen Widerstand gegen Verschieben oder Verdrehen der gefügten Teile aufbringen. Dieser Widerstand wird Haftkraft F F genannt. Sie wird wesentlich vom Übermaß bestimmt.

    Ein Berechnungsverfahren ist in der DIN 7190 angegeben, nach dem hier vorgegangen wird. In dieser Norm sind die Gleichungen enthalten, mit denen das erforderliche Übermaß U errechnet werden kann.


    Eine Berechnungsmöglichkeit für Pressverbände befindet sich hier.

    Berechnung bei elastisch-plastischer Beanspruchung

    Die in der Fuge übertragbare Betriebskraft ist bei rein elastischer Auslegung eines Pressverbandes sehr eingeschränkt. Unter bestimmten Voraussetzungen ist eine elastisch-plastische Beanspruchung der Fügeteile zulässig, um die Festigkeit der Werkstoffe besser auszunutzen.

    Dabei wird in einem begrenzten, vom Innendurchmesser ausgehenden Bereich des Außen- und/oder Innenteils eine Überschreitung der Streckgrenze zugelassen, was jedoch nicht bei spröden, sondern nur bei zähen (duktilen) Werkstoffen möglich ist (Bruchdehnung A ≥ 10 %, Brucheinschnürung Z ≥ 30 %). Ein volles Innenteil kann nur rein elastisch oder vollplastisch, aber nicht elastisch-plastisch beansprucht werden.

    Spannelementverbindungen

    Neben den zylindrischen Welle-Nabe-Verbindungen existiert eine große Vielfalt weiterer konstruktiver Lösungen zur Übertragung von Kräften und Momenten mit Hilfe von Reibungskräften. Hierbei wird in der Regel unterschieden nach der Art des Reibschlusses (unmittelbar – mittelbar), der Erzeugung der Vorspannkraft (intern – extern) und der Anzahl der Wirkflächenpaare. Beispiele hierfür sind

    Kegelpressverband, Wellen-Spannhülsen, Keilverbindungen, Klemmverbindungen, Doppelkegel-Spannsätze, Kegelspannringe, Kegelspannsätze, konische Spannsätze, Vierfachkegel-Spannsätze, Sternscheiben, Wellenspannsätze, hydraulische Hohlmantel-Spannbüchsen.

    Da an den Wellen keine Nuten, Zähne und andere Kerben notwendig sind, entspricht ihre Dauerfestigkeit fast der von glatten Wellen.

    Spannelementverbindungen: a) mit einer Spannschraube, b) mit mehreren Spannschrauben
    Spannelementverbindungen

    Klemmverbindungen

    Gegenüber Pressverbindungen wird die Fugenpressung pF nicht durch ein Übermaß erzeugt, sondern durch Klemmen der Nabe auf die Welle mittels Schraubenkraft.
    Klemmverbindungen mit geteilter Nabe und mit geschlitzter Nabe eignen sich zur stufenlosen Längs- und Umfangseinstellung von Naben.

    Wegen der Unsicherheit der von Fugenpressung und Reibzahl abhängigen Übertragungsfähigkeit werden Klemmverbindungen meist nur bei relativ kleinen und wenig schwankenden Drehmomenten angewendet.

    Ein Excel-Arbeitsblatt für eigene Berechnungen:
    Excel-Arbeitsblatt

  • Befestigungsschrauben

    Schrauben sind die am meisten verwendeten Elemente zum Verbinden von Bauteilen. Gegenüber Schweiß-, Löt-, Kleb-, Niet- und Pressverbindungen lassen sich die Bauteile zerstörungsfrei lösen und abermals verbinden.

    So werden Maschinenteile, Maschinen- und Getriebegehäuse, Rohr- und Kupplungsflansche, Lagerkörper u. dgl. miteinander verschraubt. Außer zur Befestigung dienen Schrauben auch zum Einstellen, Messen und Spannen. Schrauben und Muttern und deren Gewinde sind weitgehend genormt.


    Film: Schrauben in der Abdeckung eines Planetengetriebes

    Player wird geladen…

    Gewinde

    Schrauben besitzen Gewinde, deren Gänge sich mit der Steigung P um einen zylindrischen Kern mit dem Durchmesser dK winden. Der Betrag der Steigung P ist gleich der Axialverschiebung bei einer Umdrehung. Mit der Abwicklung eines Ganges, der sog. Flankenlinie, am Flankendurchmesser d2 als mittlerem Gewindedurchmesser ergibt sich ein Dreieck mit dem Steigungswinkel α.

    Die Gleit- und Reibungsverhältnisse beim Zusammenwirken mit dem Gewinde der Mutter bzw. des Werkstückes sind dieselben wie auf einer um den Winkel α geneigten schiefen Ebene, die zusätzlich in der senkrecht liegenden Richtung noch um den Flankenwinkel β geneigt ist.

    Metrisches ISO-Gewinde nach DIN 13
    Diese Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines Schraubengewindes zeigt nicht nur die fertigungsbedingten Riefen, sondern auch die beim Verschrauben auftretenden Belastungen anhand der hier aufgetretenen Gewindeschäden (Abplatzungen, Gewindebrüche, Riefen, Risse, Aufschweiflungen).
    Schraubengewinde

    Ausführung von Schrauben und Muttern

    Schrauben und Muttern werden nach DIN ISO 4759 in den Produktklassen (Ausführungsgüten) A (bisher m = mittel), B (bisher mg = mittelgrob), C (bisher g = grob) und F (bisher f = fein) hergestellt. Für Teile von Schraubenverbindungen aus kaltzähen oder warmfesten Werkstoffen heißen die Produktklassen T1 (bisher f), T2 (bisher m) und T3 (bisher mg). Schrauben und Muttern werden in der Regel in der Produktklasse A verwendet.

    Die Klassen unterscheiden sich nach Oberflächenbeschaffenheit, Maß- und Formgenauigkeit gemäß DIN 267-2 und DIN ISO 4759-1. In DIN ISO 8992 sind die allgemeinen Anforderungen für Schrauben und Muttern festgelegt sowie die zugehörigen Normen angegeben.

    Auswahl verschiedener Kopfschrauben
    Auswahl verschiedener Kopfschrauben

    Werkstoffe

    Werkstoffe der Befestigungsschrauben und -muttern ist hauptsächlich zäher Stahl mit verschiedenen Festigkeits- und Dehnungseigenschaften. Die technischen Lieferbedingungen für mechanische Verbindungselemente nach DIN 267 wurden in den vergangenen Jahren weitgehend durch DIN ISO- und DIN EN-Normen ersetzt.

    Nach diesen Normen wird die Festigkeit von Stahlschrauben durch ein Kennzeichen ausgedrückt, das die Festigkeitsklasse angibt und sich aus zwei Zahlen zusammensetzt. Die erste Zahl ist gleich dem hundertsten Teil der Nennzugfestigkeit in N/mm2, die zweite das zehnfache Verhältnis der Nennstreckgrenze zur Nennzugfestigkeit, bezogen auf den Spannungsquerschnitt.

    Mit DIN EN 20898 und DIN EN ISO 898 sind Festigkeitsklassen in Verbindung mit Festigkeitswerten genormt. Für Berechnungen sind die Mindestwerte maßgebend. Die Verwendung von Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt bei der Festigkeitsklasse 10.9 ist durch einen Strich unter dem Kennzeichen anzugeben:

    10.9

    Korrosionsschutz

    Korrosionsgefährdete metallische Verbindungselemente (insbesondere stählerne) müssen einen geeigneten Oberflächenschutz erhalten. Gegen die Atmosphäre schützt in der Regel nach der Montage ein anorganischer Anstrich der Schraubenköpfe und Muttern mit einem Kunststofflack, der von Zeit zu Zeit erneuert werden muss.

    Durch folgende Medien können Korrosionsbeanspruchungen auftreten: atmosphärische Luft, die zeitweise feucht und mit unterschiedlichen Gehalten korrosiver Gase wie Schwefeldioxid SO2 gemischt ist (es bestehen Unterschiede zwischen Land-, Stadt-, Industrie- und Meeresluft); Schwitzwasser oder Wasser mit evtl. gelösten Salzen wie Meerwasser; Laugen und reduzierte und oxidierende Säuren.

    Herstellung der Schrauben und Muttern

    Die Herstellung kann nach zwei verschiedenen Verfahren erfolgen:

    1. Spanende Formung
      In diesem Fall dient als Ausgangswerkstoff meistens Automatenstahl, der seiner guten Zerspanbarkeit wegen relativ spröde ist. Automatenstahl ist nur für Schrauben der Festigkeitsklassen 5.8 und 6.8 und Muttern der Klassen 5, 6, 04, 11H, 14H und 17H zugelassen.
      Mitunter kommt auch Vergütungsstahl in Betracht, wenn vorgepresste Rohlinge durch Drehen und Schleifen zu Taillen- oder Passschrauben fertigbearbeitet werden.
      Zum Einsatz kommt das Verfahren bei kleineren Losgrößen bis zu einigen Tausend Stück.

    2. Spanlose Formung
      Durch die Weiterentwicklung der spanlosen Umformverfahren, insbesondere des Fließpressens, werden genormte Schrauben und Muttern ausschließlich spanlos erzeugt: Warmformung bei kleineren Losgrößen bis 100 T Stück, großem Stauchverhältnis und Abmessungen etwa über M24, Kaltformung bei großen Serien ab 100 T Stück, kleinem bis mittlerem Stauchverhältnis und Abmessungen bis etwa M24. Die Kaltformung läuft meistens in mehreren Stufen ab, das Schraubengewinde wird eingewalzt (eingerollt), das Mutterngewinde geschnitten.
    Werdegang einer kaltfließgepressten Sechskantschraube
    Werdegang einer kaltfließgepressten Sechskantschraube

    Film zum Thema Schrauben:

    Sichern von Schraubenverbindungen

    Aufgabe einer Schraubenverbindung ist es, die Bauteile mit einer bestimmten Kraft zusammenzuklemmen und während der gesamten Betriebszeit eine genügend große Klemmkraft zu erhalten. Die Reibung im Gewinde und an den Kopfauflageflächen gewährleistet Selbsthemmung, sodass sich ordnungsgemäß angezogene Schraubenverbindungen auch unter schwingenden oder stoßhaften Betriebskräften nicht von selbst lösen.

    Beim Anziehen werden die Gewindeflanken, die Kopf- und Mutterauflageflächen und alle Trennflächen der Bauteile aufeinander gepresst, wobei sich deren Oberflächenrauigkeiten einebnen. Dieser Vorgang wird als Setzen bezeichnet. Er tritt auch noch nach der Montage auf. Darüber hinaus kann es in einer vorgespannten Schraubenverbindung zum Kriechen der beanspruchten Werkstoffe kommen, besonders bei hohen Betriebstemperaturen.

    Beide Vorgänge, das Setzen und das Kriechen, führen zum Nachlassen der Klemmkraft infolge des eingetretenen Vorspannkraftverlustes, was ein Lockern der Verbindung bewirkt.

    Berechnung: Grundlagen und Verbindungsarten

    Schraubenverbindungen sind lösbare Verbindungen, in denen zwei oder mehrere Teile durch eine oder mehrere Schrauben so zusammengehalten werden, dass Kräfte und Momente übertragen werden können. Nach der Montage unterscheidet man zwischen nicht vorgespannten und vorgespannten Verbindungen.

    Nicht vorgespannte Schraubenverbindungen kommen verhältnismäßig selten vor, z. B. in Spannschlössern, Abziehvorrichtungen und Einstellvorrichtungen. Sie sind vor dem Auftreten einer Betriebskraft nicht belastet. Eine vorgespannte Schraubenverbindung dagegen wird bei der Montage bereits belastet, und zwar durch die beim Anziehen der Schraube oder der Mutter entstehende Vorspannkraft, mit der die verschraubten Teile gegeneinander gedrückt werden.

    Sie kann als Durchsteckverbindung mit Kopfschraube und Mutter oder als Einschraubverbindung mit Stiftschraube und Mutter oder mit Kopfschraube ausgeführt sein. Zusätzlich zur Vorspannkraft ist eine Betriebskraft zu übertragen.

    Berechnung: Vordimensionierung und Überschlag

    Eine Schraubenverbindung, die als komplexes, technisches System zu betrachten ist, hängt von einer Vielzahl von Parametern ab. Die Dimensionierung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen kann daher erst durch sorgfältige Berechnung, z. B. nach VDI 2230-1 oder durch eine entsprechende Finite-Elemente-Analyse betriebssicher erfolgen.

    Die Durchführung dieser Verfahren kann recht aufwendig sein und ist für minderbeanspruchte Schraubenverbindungen oder zur Vordimensionierung wenig geeignet. Es gibt daher am Markt mehrere Methoden zur Überschlagsberechnung von Schraubenverbindungen.

    Berechnung: Kraftfluss, Kerbwirkungen, Gestaltung

    Beim Anziehen einer Verbindung wird der Schraubenschaft mit dem Gewinde gedehnt, die Bauteile aber werden gestaucht. Die Druckspannungen in den verschraubten Bauteilen beschränken sich nicht auf das unmittelbare Gebiet unter dem Schraubenkopf oder der Mutter sondern breiten sich aus, bei LK ≥ 8d sogar bis auf DB ≈ 3DK, wenn die Bauteilabmessungen das zulassen.

    Bei hülsenförmigen Bauteilen ist das nicht möglich. Der Außendurchmesser DK der Kopf- bzw. Mutterauflagefläche kann bei Sechskantschrauben und -muttern überschlägig gleich der Schlüsselweite angenommen werden.

    Kraftfluss in Schraubenverbindungen: Verbindung mit Durchsteckschraube
    Kraftfluss in Schraubenverbindungen

    Anziehverfahren

    Die Funktionstüchtigkeit einer Schraubenverbindung wird wesentlich durch die bei der Montage erreichte Klemmkraft bestimmt, die gleich der Vorspannkraft der Schraube ist.

    Das Anziehen kann erfolgen:
    1. von Hand mit Gabel- oder Ringschlüsseln
    2. mit Verlängerungsbegrenzung
    3. mit Winkelbegrenzung
    4. mit Streckgrenzenkontrolle
    5. mit Drehmomentbegrenzung
    6. durch motorische Verfahren.

    Berechnung: Schraubenanziehmoment, Schraubenbeanspruchung

    Beim Anziehen einer Schraubenverbindung pressen sich die Gänge des Außen- und Innengewindes mit ihren Flanken aufeinander und erzeugen einen Reibwiderstand, den die Kraft am Schraubenschlüssel überwinden muss. Außerdem drücken der zu drehende Schraubenkopf oder die zu drehende Mutter auf ihre Unterlage, sodass dort ein Reibwiderstand hinzukommt.

    Berechnung: Nachgiebigkeit von Schraube und Bauteilen

    Durch das Anziehen einer Schraubenverbindung wird die Schraube gedehnt, die verschraubten Bauteile werden gestaucht. Unter der elastischen Nachgiebigkeit δ eines Körpers versteht man den Betrag, um den er sich unter der Wirkung einer Einheitskraft (z. B. 1 N) verlängert oder verkürzt.

    Berechnung: Bleibende Verformung durch Setzen

    Das Vorspannen (Anziehen) einer Schraubenverbindung wird grafisch dargestellt, indem man die Verlängerung fSM der Schraube als positive und die Dickenabnahme fBM der Bauteile als negative Längenänderung aufträgt . Längungs- und Kürzungslinie treffen sich bei FM als der gemeinsamen, auf Schraube und Bauteile wirkenden Kraft. Ein derartiges Schaubild heißt Verspannungsschaubild.

    Wirkungen in vorgespannten Schraubenverbindungen

    Kräfte an einer Schraubenverbindung

    Nach der Montage und nach dem Setzen ist die Schraubenverbindung mit der Kraft FV vorgespannt. Die Klemmkraft an der Trennfuge der Bauteile ist dann gleich der Vorspannkraft FV. Eine äußere Betriebslängskraft FA (axiale Betriebskraft) wird über die verspannten Bauteile eingeleitet und greift im Abstand LA innerhalb der Klemmlänge LK an.

    Dadurch wird das Teilstück der Länge LA der Bauteile entlastet und dehnt sich, während das Teilstück der Länge LK LA stärker belastet und weiter gestaucht wird. Die Schraube wird auf die Größtkraft FS weiter gespannt, die Bauteilfugen dagegen werden bis auf die Restklemmkraft FK entlastet. Die Differenz der Kräfte FS und FK ist dann gleich der axialen Betriebskraft FA.


    Ein Berechnungsprogramm für Dehnschrauben befindet sich hier.

    Berechnung: Haltbarkeit der Schraubenverbindungen

    Das Schraubenanziehmoment MA wird so festgelegt, dass die Vergleichsspannung im maßgebenden Schraubenquerschnitt unter Berücksichtigung der Streuungen die 0,9fache 0,2-%-Dehngrenze nicht überschreitet. Infolge des Setzens nimmt diese Beanspruchung ab.

    Systematische Berechnung längsbeanspruchter Schraubenverbindungen

    Die bisher erläuterte Berechnung ist nur für Verbindungen mit Schrauben ab Festigkeitsklasse 8.8 sinnvoll und erfolgt zweckmäßig in festgelegten Rechenschritten. Diese sind im Einzelnen:

    1. Schritt. Ermittlung der die Verbindung beanspruchenden Betriebslängskraft FA. Befinden sich in einem Anschluss (Flansch, Deckel, u. dgl.) mehrere Schrauben, so muss die gesamte Betriebskraft entspr. auf die Schrauben aufgeteilt werden. Danach Abschätzen der Montagevorspannkraft FMmax ≈ 1 ... 3FA, Wahl der Schraubenart (abhängig von der Konstruktion und den Montagemöglichkeiten) und deren Festigkeitsklasse, vorläufige Wahl der Schraubengröße nach der zulässigen Montagevorspannkraft FM zul.

    2. Schritt. Bestimmung des Anziehfaktors αA nach der vorgesehenen Anziehmethode.

    3. Schritt. Falls erforderlich, Bestimmung der Mindestklemmkraft FK nach den Erfordernissen der Konstruktion.

    4. Schritt. Bestimmung der Nachgiebigkeiten δS und δB von Schraube und Bauteilen und des Kraftverhältnisses ΦK, falls dieses nicht aus Erfahrung bekannt ist.

    5. Schritt. Bestimmung des Vorspannkraftverlustes FZ durch Setzen, falls auch für diesen kein Erfahrungswert bekannt ist.

    6. Schritt. Bestimmung der erforderlichen Montagevorspannkraft FM max. Falls keine Mindestklemmkraft vorgeschrieben ist, Wahl von FM max und Kontrolle, ob ein Abheben der Bauteile sicher vermieden wird. Bei zusätzlicher Biegebeanspruchung (exzentrischem Kraftangriff) FM max  FM zul!

    7. Schritt. Bestimmung des Schraubenanziehmomentes MA mit FMmax; es darf das zulässige MA zul nicht überschreiten!

    8. Schritt. Überprüfung der Haltbarkeit der Schraubenverbindung, d. h. Kontrolle, ob Spannungsdifferenz σsa, Spannungsausschlag σa und Flächenpressung pB zulässig sind.


    Ein Berechnungsbeispiel:
    Beispielaufgabe (10.9)

    Materialien zur Beispielaufgabe:
    Tabelle (10.1)
    Tabelle (10.2)
    Tabelle (10.3)
    Tabelle (10.4)
    Tabelle (10.6)
    Tabelle (10.7)
    Tabelle (10.8)
    Tabelle (10.11)
    Tabelle (10.12)

    Ein Excel-Arbeitsblatt:
    Excel-Arbeitsblatt

    Ein Programm zur Schraubenberechnung befindet sich hier.

    Gestaltung und Berechnung querbeanspruchter Schraubenverbindungen

    Zur Übertragung von Querkräften, beispielsweise über zwei Kupplungshälften, benutzt man form- oder reibschlüssige Verbindungen.

    Spezialschrauben

    Es existieren umfangreiche Vorschriften, Normen und Technische Regeln für Schraubenverbindungen spezieller und besonders sicherheitsrelevanter Art.
    Diese müssen im entsprechenden Fall ausdrücklich befolgt werden.

  • Bewegungsschrauben

    Bewegungsschrauben werden zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung eingesetzt und als Spindeln bezeichnet. Spindelmuttern führen die Längsbewegung aus oder stehen bei längsbewegter Spindel still.

    Nachteilig ist die relativ hohe Reibung im Gewinde, die wegen der Wärmeentwicklung im Dauerbetrieb zu Schwierigkeiten führt. Deshalb wurden auch Muttern mit druckölgespeisten Taschen oder Ölnuten in den Spindelflanken ausgeführt. Diese sind jedoch recht teuer.

    Bauformen

    Man findet Leitspindeln an Drehmaschinen, Druckspindeln in Pressen, Ventilspindeln in Absperrorganen u. dgl. Für Bewegungen in Transport-, Handhabungs- und Fertigungseinrichtungen (Vorrichtungen, Roboter), werden meistens Spindelhubgetriebe als selbstständige Baueinheiten verwendet.

    Gewinde, Werkstoffe

    Für Bewegungsschrauben sind Regel- und Feingewinde wegen ihrer geringen Steigungen nicht geeignet. Es kommt deshalb vorwiegend ISO-Trapezgewinde nach DIN 103-1 in Betracht.

    Kräfte, Reibung, Wirkungsgrad, Selbsthemmung

    Im Prinzip liegen die gleichen Kraft- und Reibverhältnisse wie bei den Befestigungsschrauben vor, jedoch wirkt sich die größere Steigung auf die Reibverluste und damit auf den Wirkungsgrad aus. Das Mutterngewinde drückt mit seinen Flanken auf die des Spindelgewindes.

    Kugelgewindetrieb

    Zur Vermeidung der hohen Erwärmung und der Energieverluste wurden Kugelgewindetriebe entwickelt. Spindeln und Muttern besitzen halbkreisförmige Schraubennuten, in denen sich Stahlkugeln befinden, die bei einer Rollbewegung die Last übertragen (Kugellagerung). Nach dem Durchlauf durch das kugelförmige Gewinde werden die Kugeln über Umlenkkanäle an den Gewindeanfang zurückgeführt.

    Vorteile: geringer Verschleiß, Wirkungsgrad größer als 80 %, geringe Erwärmung, kein Stick-Slip-Effekt (Reibungsschwingungen). Nachteilig ist jedoch, dass keine Selbsthemmung mehr vorhanden ist, sodass zusätzliche Bremsen vorgesehen werden müssen.
    Für Werkzeugmaschinen sind Kugelgewindetriebe mit DIN 69051 genormt.

    Ein Berechnungsbeispiel:
    Beispielaufgabe (11.1)

    Materialien zur Beispielaufgabe:
    Tabelle (1.2)
    Tabelle (11.1)
    Tabelle (11.2)

  • Formschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen

    Wellen tragen Maschinenteile wie Riemenscheiben, Schwung- und Laufräder, Zahn- und Kettenräder, Kupplungen, Hebel u. dgl. Deren Naben müssen drehfest und meistens auch unverschiebbar befestigt sein. Hierfür gibt es viele Möglichkeiten. Die Auswahl hängt von den zu übertragenden Kräften, von der erforderlichen Genauigkeit der Zentrierung, vom Werkstoff der Maschinenteile und auch von den jeweiligen Fertigungs- und Montagemöglichkeiten sowie von der Wirtschaftlichkeit ab.

    Man unterscheidet formschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen (Formschlussverbindungen, z. B. mit Passfeder oder Keil- und Zahnwellenverbindungen), bei denen die Kraftübertragung durch ihre Form erfolgt, und kraftschlüssige, die durch Reibschluss übertragen (Reibschlussverbindungen).

    Zu diesen gehören die Pressverbände, sofern es sich um die Verbindung einer Welle mit einer Nabe handelt, und auch Kegel-, Klemm- und Spannelementverbindungen. Vorgespannte Welle-Nabe-Verbindungen (z. B. mit Keilen) übertragen teils durch Kraftschluss, teils durch Formschluss, was kaum berechenbar ist.

    Längskeilverbindungen

    Längskeile sitzen unter Vorspannung in einer Wellen- und einer Nabennut und stellen eine kraft- und formschlüssige Verbindung her (Mitnehmerverbindung mit Anzug). Sie sind bis zu mittleren Drehzahlen von etwa 1200 min–1 geeignet (bei höheren spürbare Unwucht!).

    Wegen ihrer Unempfindlichkeit gegen Verunreinigungen werden sie im Landmaschinen-, Baumaschinen- und Förderanlagenbau bevorzugt. Derartige Längskeilverbindungen sind technisch veraltet!

    Passfederverbindungen

    Wenn die Exzentrizität zwischen Nabe und Welle, wie sie bei Längskeilverbindungen entsteht, nicht zugelassen werden darf oder aus Montagegründen Längskeile nicht angewendet werden können, werden Passfedern ohne Keilanzug mit parallelen Bauch- und Rückenflächen vorgesehen (Mitnehmerverbindungen ohne Anzug).

    Ihre Flanken müssen fest in den Nuten sitzen, um nicht auszuschlagen. Zwischen Passfeder und Nabennut bleibt gewöhnlich ein Rückenspiel. Passfedern übertragen nur durch Formschluss. Meistens werden sie für einseitige Drehrichtung vorgesehen, weil bei wechselnden Drehrichtungen die Gefahr des Ausschlagens und der Passungsrostbildung besteht.

    Keilwellenverbindungen

    Keilwellen tragen am Umfang eine gerade Zahl „Keile“, die als Passfedern aufzufassen sind. Eine leichte Reihe und eine mittlere Reihe sind mit DIN ISO 14 genormt, eine schwere mit DIN 5464, Keilwellen für Werkzeugmaschinen mit DIN 5471 (4 Keile) und 5472 (6 Keile). Der Name Keilwelle ist aus der ehemaligen Bezeichnung „Keile ohne Anzug“ für Passfedern entstanden. Die Darstellung in technischen Zeichnungen erfolgt nach DIN ISO 6413.

    Keilwellen- und Keilnabenprofil
    Keilwellen- und Keilnabenprofil
    Zahnprofile: a) Kerbzahnprofil, b) Evolventenzahnprofil
    Zahnprofile

    Zahnwellenverbindungen

    Anstelle der „Keile“ an den Keilwellen können auch Zähne treten. Derartige Zahnprofile sind ein Kerbzahnprofil DIN 5481 mit dreieckförmigen Zähnen ein Evolventenzahnprofil DIN 5480. Die vielen Zähne sind in der Lage, besonders große und stoßweise Kräfte zu übertragen, sodass sich die Zahnprofile für schmale Naben eignen.

    Vorteilhaft ist auch die Verstellmöglichkeit der Nabe von Zahn zu Zahn, z. B. zum Einstellen von Hebeln. Die Verzahnungen lassen sich im Abwälzverfahren wirtschaftlich herstellen. Üblich ist die Flankenzentrierung, beim Evolventenzahnprofil ist auch Innen- und Außenzentrierung möglich. Die Evolventenzahnprofile werden vorzugsweise mit dem Eingriffswinkel 30° ausgeführt.

    Polygonwellenverbindungen

    Während bei den Keil- und Zahnwellenverbindungen ausgeprägte Vorsprünge (Keile, Zähne) die Mitnahme bewirken, wächst die Mitnehmerwirkung in den Polygon-Profilen als symmetrische Unrunde kontinuierlich.

    Die Profile lassen sich innen und außen in der Toleranzqualität 6 herstellen, sodass sie eine genaue Zentrierung gewährleisten. Da sich auf der Oberfläche keine krassen Vorsprünge befinden, machen sich Kerbwirkungen kaum bemerkbar.

    Stirnzahnverbindungen

    Für Drehmoment übertragende Verbindungen hat sich die Stirnverzahnung (auch Hirth-Verzahnung genannt) gut bewährt. Sie ist robust und dauerhaltbar zur Übertragung von Stoß- und Wechselkräften geeignet.

    Die Bauteile erhalten stirnseitig radial laufende dreieckförmige Zähne, die in Eingriff gebracht werden. Die Zähne zentrieren die verbundenen Bauteile zueinander. Auch Kurbelwellen werden mitunter aus stirnverzahnten Einzelteilen gefügt. Weiterhin findet man stirnverzahnte Wellen-Schaltkupplungen.

    Stirnverzahnung: a) gefügtes Kegelrad, b) Zahnform am Außenumfang
    Stirnverzahnung
  • Stift- und Bolzenverbindungen

    Stifte

    Stifte dienen zum Verbinden, Befestigen, Mitnehmen, Halten, Zentrieren, Fixieren, Sichern, Verschließen u. dgl. von Maschinenteilen. Sie sind nur für das Übertragen kleiner, stoßfreier und möglichst nicht wechselnder Drehmomente geeignet.

    Ihrer Form nach unterscheidet man grundsätzlich zwischen Zylinderstiften, Kegelstiften und Kerbstiften. Im Bauteil oder in den Bauteilen sitzen sie mit Vorspannung. Kerbstifte besitzen drei eingepresste Längskerben, deren überstehende Wulste sich beim Einschlagen mit hohem Druck gegen die Lochwand legen und das Loch elastisch aufweiten.

    Ein Excel-Arbeitsblatt für eigene Berechnungen:
    Excel Arbeitsblatt

    Zylinderstifte
    Zylinderstifte
    Kegelstifte
    Kegelstifte
    Kerbstifte
    Kerbstifte

    Bolzen

    Bolzen stellen Gelenkverbindungen her und sitzen mit Spielpassung in den Bauteilen. Die Spielpassung macht eine Sicherung gegen Herausfallen erforderlich. Für Splinte müssen die Bolzen Querlöcher erhalten, für Sicherungsringe und -scheiben Rillen.


    Film: Greifer, Vorrichtung als Beispiel 1 für den Einsatz von Bolzen

    Player wird geladen…

    Film: Greifer, Vorrichtung als Beispiel 2 für den Einsatz von Bolzen

    Player wird geladen…

    Festigkeitsberechnung

    Die Festigkeitsberechnung der Stiftverbindungen stößt auf Schwierigkeiten, da sowohl die Stifte als auch die Bauteile durch das Eintreiben unter Übermaß vorgespannt werden.

    Ein Berechnungsbeispiel:
    Beispielaufgabe (13.1)

    Materialien zur Beispielaufgabe
    Tabelle (13.1)

  • Federn

    Federn dienen als elastische Verbindungselemente beispielsweise zur Rückführung von Ventiltellern oder Steuergestängen, zum Antrieb von Wickeltrommeln, als Stoßdämpfer, zur Kraftbegrenzung, zur Kraftmessung u. dgl. Ihrer Form nach kennt man Schrauben-, Teller-, Blatt-, Stabfedern usw., ihrer Verformung nach Druck-, Zug-, Biege- und Drehfedern.

    Kennlinien, Federarbeit

    Die Eigenschaften der Federn werden nach ihrer Kennlinie beurteilt. Die Kennlinien sind progressiv, linear und degressiv. Viele technische Federn haben lineare Kennlinien.

    Federkennlinien: a) progressive einer Gummifeder, b) gerade einer zylindrischen Schraubenfeder, c) degressive einer Tellerfedersäule
    Federkennlinien

    Schwingverhalten

    Eine mit einer Feder beweglich verbundene Masse gerät bei einem Kraftanstoß in gedämpfte Eigenschwingungen.

    Feder-Schwingsysteme, gedämpfte Schwingung: a) mit einer Druckfeder, b) mit einer Biegefeder, c) mit einer Drehfeder
    Feder-Schwingsysteme, gedämpfte Schwingung

    Werkstoffe, Halbzeuge

    Übliche Federwerkstoffe sind: härtbare Kohlenstoffstähle, Chrom-, Silicium-, Silicium-Mangan-, Chrom-Vanadium- und nichtrostende Stähle. Hinzu kommen die Nichteisenmetalle Messing, verschiedene Bronzen, Neusilber u. a.
    Die hohe Festigkeit erhalten die Federstähle durch Härten und ggf. anschließendes Anlassen oder anschließende Sonderbehandlungen.

    Dünne Drähte zeigen eine hohe Streckgrenze, wenn sie niedrig angelassen werden. Hohe Anlasstemperaturen und nochmaliges Abschrecken steigern die Dauerfestigkeit. Eine Dauerfestigkeitserhöhung tritt auch durch Überschleifen nach den Härten ein, das die entkohlte, kerbwirkungsbildende Oberflächenschicht entfernt. Kugelstrahlen verdichtet die Oberflächenschicht und erhöht ebenfalls die Dauerfestigkeit. Ein Polieren mildert die Kerbwirkungen, die durch die Oberflächenrauigkeit entstehen.

    Es ist ratsam, höchstbeanspruchte Federn einem Dauerversuch zu unterziehen, falls nicht ausreichende Erfahrungswerte zur Verfügung stehen. Die Dauerfestigkeit der Federn nimmt wie bei jedem Maschinenteil mit zunehmender Dicke ab.

    Zylindrische Schraubenfedern aus runden Drähten oder Stäben

    Kaltgeformte Druckfedern nach DIN EN 15800
    Kaltgeformte Druckfedern nach DIN EN 15800

    Aus Runddraht gewickelte zylindrische Druckfedern kommen am häufigsten vor. Das sind Federn aus runden Drähten, die nach der Kaltformgebung nur einem Anlassen zum Abbau von Eigenspannungen unterworfen werden.

    Sie können bis zu einem Drahtdurchmesser von etwa d = 17 mm hergestellt werden, Windungsdurchmesser D ≤ 200 mm, Federlänge L0 ≤ 630 mm, Anzahl der federnden (wirksamen) Windungen n ≥ 2, Wickelverhältnis w = D/d = 4 ... 20.


    Ein Berechnungsbeispiel:
    Beispielaufgabe (14.3)

    Materialien zur Beispielaufgabe
    Tabelle (14.13)

    Ein Excel-Arbeitsblatt:
    Excel-Arbeitsblatt

    Eine Knickungsberechnung kann hier vorgenommen werden.

    In diesem Video wird die Auslegung von Druckfedern veranschaulicht:


    Tellfedern als Druckfedern

    Tellerfedern sind kegelförmige Ringschalen, die zu Säulen geschichtet werden können.

    Ihre Anwendung erstreckt sich von Spannelementen für Vorrichtungen und Werkzeuge über Betätigungsorgane für Ventile bis zur schwingungsdämpfenden Abfederung von Fahrzeugen, Maschinen und Fundamenten. Tellerfedern sind besonders bei großen Kräften und kleinen Federwegen geeignet.

    Ein Programm zur Tellerfederberechnung befindet sich hier.

    Gewundene Schenkelfedern als Drehfedern

    Schenkelfedern sind biegebeanspruchte Schraubendrehfedern. Meistens werden sie als Rückführer von Hebeln oder Deckeln benutzt. Das eine Federende muss am beweglichen Teil, das andere am stillstehenden Teil eingehängt oder eingespannt werden.

    Schenkelfeder als Rückzugsfeder für einen Schalthebel
    Schenkelfeder als Rückzugsfeder für einen Schalthebel

    Stabfedern als Drehfedern

    Runde Drehstabfedern werden in Fahrzeugen als Drehschwingungsdämpfer oder als Drehstabilisator, zur Drehkraftmessung, in Drehmomentenschlüsseln, elastischen Wellenkupplungen u. dgl. eingesetzt. 

    Spiralfedern als Drehfedern

    Spiralfedern sind meistens nach einer Archimedischen Spirale gewundene Biegefedern, deren Windungsabstand a konstant bleibt. Sie werden aus Runddraht oder Bändern gewickelt (Federstahl oder Kupferlegierungen).

    Man verwendet sie als Arbeitsspeicher für Uhrwerke, Rücksteller der Zeiger von Messinstrumenten, Bindeglieder elastischer Kupplungen u. dgl. Betätigt wird entweder das äußere oder das innere Ende. 

    Spiralfedern: a) Außenbetätigung, b) Innenbetätigung
    Spiralfedern

    Blattfedern als Biegefedern

    Einfache ein- und zweiarmige Blattfedern werden beispielsweise als Andrückfedern von Schiebern, Ankern, Klinken in Gesperren, als Kontaktfedern in Schaltern u. dgl. eingesetzt. Die Dreieckfedern sind Körper gleicher Biegebeanspruchung, bei denen die Biegespannung in allen Querschnitten gleichhoch ist. Sie werden festigkeitsmäßig voll ausgenutzt, sind aber praktisch nicht ausführbar. Werkstoff für einfache Blattfedern: Federstähle und Kupferlegierungen.

    Geschichtete Blattfedern dienen vorwiegend zur Abfederung von Straßen- und Schienenfahrzeugen. Sie setzen harte Fahrbahnstöße in lange, weiche und gedämpfe Schwingungen um. Eine geschichtete Blattfeder denkt man sich aus einer zweiarmigen Trapezfeder entstanden, d. h. die einzelnen, verschieden langen Federblätter aus einer Trapezfeder herausgeschnitten und übereinander gelegt. Die Federblätter werden aus warmgewalztem Flachstahl oder geripptem Flachstahl hergestellt und (elliptisch) gekrümmt. Werkstoff: Qualitäts- oder Edelstahl.

    Ringfedern als Druckfeder

    Eine Ringfeder besteht aus ineinander greifenden doppelkegeligen Innen- und Außenringen. Bei Belastung werden die Außenringe geweitet, die Innenringe eingeschnürt.

    Dadurch schieben sich die Ringe der Federsäule unter beträchtlicher Reibung ineinander. Die Belastungskennlinie weicht von der Entlastungskennlinie stark ab.

    Beispiel einer Luftfeder (Werkbild Contitech)
    Beispiel einer Luftfeder

    Luftfedern

    Luftfedern werden heute in Luxuslimousinen, Geländemotorrädern (BMW), LKW und Bussen eingesetzt, denn damit kann mit wenig Aufwand eine Niveau-Regulierung verwirklicht werden.

    Derartige Systeme werden u. a. von der Firma Continental angeboten, Luftfedern selbst liefern Elastogran, Phoenix, cplusw, ZFSachs. Luftfederelemente DIN 95407 dienen zur schwingungsdämpfenden Lagerung von Aggregaten. 

    Weitere Metallfedern

    Bei beengten Raumverhältnissen werden Druckfedern auch aus Flachstahl hergestellt. Die Berechnung ist mit DIN 2090 genormt.

    Seltener kommen kegelige Druckfedern vor, die gekrümmte Kennlinien besitzen. Der besondere Vorteil der Ausführungen c und d liegt in ihrer Zusammendrückbarkeit bis auf eine Drahtdicke d bzw. Drahthöhe a.

    Gummifedern

    Gummifedern werden vorwiegend zur Dämpfung von Schwingungen und Stößen verwendet, z. B. als Fundamentfedern oder Bindeglieder elastischer Kupplungen.

    Der in Metallplatten oder -hülsen vulkanisierte Gummi, der unter verschiedenen Handelsnamen bekannt ist, wie Schwingmetall (ContiTech, Hannover), Metallgummi (Phönix-Gummiwerk AG, Hamburg-Harburg), Metalastik (Carl Freudenberg, Weinheim/Bergstr.), kann auf Druck oder Schub beansprucht werden.