wwu – institut für technik und ihre didaktik – hein 1 maschinentechnik – 2....

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WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein 1 Maschinentechnik – 2. Verbindungselemente 2. Verbindungselemente 2.1 Verbindungsarten (Wirkprinzipien) Kraftschluss: F F N F N ´ N R F F Reibungsfaktor u ist es erforderlich, dass die Bauteile durch die Normalkraft (FN) zusammengepresst we N R F F F Normalkräfte können sein: Federkräfte (techn. Federn, Schrauben, warm geschlagene Niete,) Schwerkraft (Rad/Fahrbahn) Magnetische Kräfte (Magnet - Spannplatten,Magnet- Schienenbremse, Elektrokupplungen) Elektrostatische Kräfte (Papierhalterung an Plotter, xy – Schreiber) Größe der übertragenen Kraft: Verwendung: Schrauben, Keile, Rad/Fahrbahn

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  • Folie 1
  • WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein 1 Maschinentechnik 2. Verbindungselemente 2. Verbindungselemente 2.1 Verbindungsarten (Wirkprinzipien) Kraftschluss: F F FNFN FNFN Reibungsfaktor dazu ist es erforderlich, dass die Bauteile durch die Normalkraft (FN) zusammengepresst werden; Normalkrfte knnen sein: Federkrfte (techn. Federn, Schrauben, warm geschlagene Niete,) Schwerkraft (Rad/Fahrbahn) Magnetische Krfte (Magnet - Spannplatten,Magnet- Schienenbremse, Elektrokupplungen) Elektrostatische Krfte (Papierhalterung an Plotter, xy Schreiber) Gre der bertragenen Kraft: Verwendung: Schrauben, Keile, Rad/Fahrbahn
  • Folie 2
  • WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein 2 Maschinentechnik 2. Verbindungselemente Formschluss: F F c: Formfaktor c = 0,75 c = 0,66 c = 0,5 c bercksichtigt ungleichmige Schubspannungsverteilung Kraftbertragung (F) erfolgt durch den Scherwiderstand des verbindenden Teils; an den kraftbertragenden Flchen tritt Flchenpressung auf; Gre der bertragbaren Kraft: Verwendung: Stifte, Pafedern, Pa Schrauben, Verzahnungen Stoffschluss: F F Kraftbertragung (F) erfolgt durch die Molekularkrfte in der Verbindungsfuge, (Adhsionskrfte bei verschiedenen Werkstoffen, Kohsionskrfte bei gleichartigen Werkstoffen) Gre der bertragbaren Kraft: Verwendung: Lten, Kleben, Schweien
  • Folie 3
  • WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein 3 Maschinentechnik 2. Verbindungselemente 2.2 Beispiele: 2.2.1 Schraubverbindungen Schraubverbindungen stellen eine leicht lsbare Verbindung her. Liegt die Belastung in Richtung der Schraubenachse, dann handelt es sich um eine formschlssige Verbindung. Wirken die Krfte senkrecht zur Schraubenachse, dann erfolgt deren bertragung kraft-, form- oder form- und kraftschlssig. Alle Schrauben setzen Drehbewegungen in axiale Bewegungen um. Schraubenarten:Befestigungsschrauben (bertragen axiale und/oder Querkrfte) Bewegungsschrauben (Wandeln Drehbewegungen in axiale Bewegungen; Pressen, Spindeln bei Dreh- maschinen) Dichtungsschrauben Einstellschrauben Messschrauben Spannschrauben Das Gewinde ist eine profilierte Einkerbung lngs der Schraubenlinie. Gewindebolzen mit Mutter nach DIN 27 Analoges Bild symbolisches analoges Bild Z
  • Folie 4
  • WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein 4 Maschinentechnik 2. Verbindungselemente Die Abwicklung der Schraubenlinie am Flankendurchmesser d 2 fhrt zu einer Geraden mit dem Steigungswinkel. Das Regelgewinde hat einen Steigungswinkel von 3. Je nach Wahl der Steigungsrichtung werden links- und rechtsgngige Schrauben unterschieden. Grundformen von Gewinden metrisches Gewinde metrisches Feingewinde Whitwort Rohrgewinde Trapezgewinde Sgegewinde Rundgewinde d2d2 d 2 d2d2 P P
  • Folie 5
  • WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein 5 Maschinentechnik 2. Verbindungselemente Verformung und Festigkeit von Schrauben Die Theorie der Befestigungsschrauben ist reichlich umfangreich. Allein die Belastung des Gewindes genauer zu erfassen berschreitet diesen Kurs. Da das Schrauben jedoch zu den wichtigsten Verbindungsarten, die in der Schule praktiziert werden, gehrt, sind einige wesentliche Informationen ber die Kraft- und Verformungsverhltnisse bei Schraubverbindungen unverzichtbar. Mit ihnen wird ein tieferes Verstndnis fr Schraubverbindungen mglich. Man unterscheidet nicht vorgespannte und vorgespannte Schraubverbindungen. Die ersteren sind vor dem Angreifen einer ueren Kraft unbelastet,also nicht vorgespannt. Das ist der Fall bei Spann- schlssern, Abziehvorrichtungen usw. Diese Variante betrachten wir im folgenden nicht. Bei vorgespannten Verbindungen sind die Schrauben vor dem Angreifen einer Betriebskraft F V bereits belastet. D. h., sowohl in der Schraube, als auch in den verbundenen Werkstcken treten Spannungen auf. vor dem Festdrehennach dem Festdrehennach dem Angreifen der Betriebskraft fSfS fTfT FVFV
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  • WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein 6 Maschinentechnik 2. Verbindungselemente Verkrzung -fLngung + f Verformungskennlinie fr die Schraube (a) und fr die vorgespannte Platte (b) und ihre Zusammen- fhrung ber die gespiegelte (c) und verschobene Plattenkennlinie (d) zum Verspannungsschaubild. fTfT FVFV + F - F Kennlinie der ver- spannten Platten b Schrauben- Kennlinie ad fSfS fTfT c FVFV FVFV Vor dem Festdrehen der Mutter sind Schraube und Bauteil noch unbelastet. In der Verbindung wirkt die axiale Kraft F V, die als Rckfhrkraft der elastisch gedehnten Schrau- be die "Feder" elastisch zusammendrckt und umgekehrt als "Federspannkraft" die Schraube die Schraube verlngert (Montagezustand) Die Vorspannkraft F V der Schraube entspricht der Klemm- kraft F KL der Bauteile. Wird die Mutter festgedreht, dann werden die zu verbindenden Teile - zur besseren Anschaulichkeit durch eine Feder ersetzt gedacht - um f T zusammengedrckt und gleichzeitig wird die Schraube um f S verlngert (vorgespannt).
  • Folie 7
  • WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein 7 Maschinentechnik 2. Verbindungselemente Verteilung der Spannungen Spannungen in Schrauben und in Bauteilen Zugspannung in der Schraube Zugspannung in der Schraube und Druckspannung im Material
  • Folie 8
  • WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein 8 Maschinentechnik 2. Verbindungselemente Festigkeitsklassen von Schrauben und Muttern Schrauben aus Stahl sind mit Herstellerzeichen und Festigkeitswerten gekennzeichnet. Die Festigkeitskennzeichnung besteht aus zwei durch einen Punkt getrennte Zahlen. Die erste Zahl gibt 1/100 der Prfspannung in N/mm 2 an. Die zweite Zahl gibt das 10-fache des Streckgrenzenverhltnisses (Mindeststreckgrenze zu Mindestzugfestigkeit) an. Das Produkt der beiden Zahlen entspricht 1/10 der Mindest- streckgrenze. Festigkeitsklassen:3.6 4.6 5.6. 5.8 6.6 6.8 6.9 8.8 10.9 12.9 14.9 Muttern aus Stahl sind mit Herstellerzeichen und einer Zahl gekennzeichnet, die 1/100 der Prfspannung in N/mm 2 angibt. Die Prfspannung der Mutter entspricht der Mindestzugfestigkeit einer entsprechenden Schraube.
  • Folie 9
  • WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein 9 Maschinentechnik 2. Verbindungselemente Ausfhrungsformen von Schrauben Sechskantschrauben werden mit Muttern bei Durchgangs-lchern verwendet und ohne Muttern, wenn das Mutter-gewinde in das Werkstck eingeschnitten ist. Stiftschrauben verwendet man, wenn die Verbindung hufig gelst werden muss. Die Stiftschraube wird mit dem kurzen Gewindeende in das Muttergewinde des Werkstcks mit Hilfe eines Stiftsetzers eingesetzt. Beim Lsen der Schraubverbindung wird nur die Sechskantmutter gelst. Zylinderschrauben mit Innensechskant (Inbusschrauben) sind platzsparend durch den zylindrischen Kopf. Sie eignen sich fr Verschraubungen, die wegen ihrer Lage nicht mit einem Sechskant-schlssel angezogen werden knnen. Als Sonderbauform gibt es Zylinderschrauben mit Innenverzahnung.
  • Folie 10
  • WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein 10 Maschinentechnik 2. Verbindungselemente Passschrauben werden verwendet, wenn ein Verschieben der verschraubten Werkstcke verhindert werden soll und groe Scherkrfte auftreten. Der Schaftdurchmesser der Passschraube ist etwas grer als der Gewindedurchmesser. Dehnschrauben verwendet man, wenn dauernde Wechselbelastungen auftreten, z. B. am Pleuelflu. Normale Schaftschrauben brechen bei dauernder Wechselbelastung nach einiger Zeit infolge Ermdung, auch wenn sie gengend stark ausgefhrt sind. Der Schaftdurchmesser der Dehnschraube (formelastische Schraube) betrgt nur etwa 90 % des Gewindekern- durchmessers, ausgenommen an Stellen, an denen sie in der Bohrung anliegen soll. Die mit dem Dreh- momentschlssel richtig angezogene Dehnschraube ist mit einer Zugkraft vorgespannt, die wesentlich grer ist als die im Betrieb von auen einwirkende Zugkraft. Im Betrieb kann die Dehnschraube im elastischen Bereich bis dicht an die Streckgrenze beansprucht sein. Dehnschrauben halten ihre Verspannung selbst und bentigen keine Schrauben- sicherung. Die Gewinde mssen leichtgngig sein.
  • Folie 11
  • WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein 11 Maschinentechnik 2. Verbindungselemente Schlitzschrauben und Kreuzschlitzschrauben knnen als Zylinder-, Senk-, Linsen- oder Linsensenkschrauben mit Schlitz oder Kreuzschlitz ausgefhrt sein. Gewindestifte sind Schrauben mit Gewinde auf der ganzen Lnge. Je nach Verwendung sind sie mit verschiedenartigen Enden, z. B. Spitze, Zapfen oder Ringschneide, versehen. Sie dienen zum Befestigen oder Sichern von Naben oder Lagern. Blechschrauben werden fr Verbindungen mit Blechen verwendet. Sie werden als Schlitz-, Kreuzschlitz- oder Sechskantschrauben hergestellt. Beim Einschrauben schneiden sie sich das Muttergewinde selbst. Das Loch im Blech soll etwa den gleichen Durchmesser wie der Schraubenkern haben. Schneideschrauben, gefertigt in den Abmessungen M 2,5 bis M 8, sind gehrtet. Sie schneiden ihr Gewinde beim Einschrauben in das Kernloch selbst. Vor dem Einschrauben werden sie in l getaucht und mit Druck in Richtung der Schraubenachse eingeschraubt.
  • Folie 12
  • WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein 12 Maschinentechnik 2. Verbindungselemente Muttern werden in verschiedenen Formen hergestellt. Sechskantmuttern haben eine Hhe von etwa 0,8 x d oder etwa 0,5 x d (Flachmutter). Kronenmuttern mit 6 oder 10 Schlitzen werden verwendet, wenn mit Splinten gesichert werden soll. Hutmuttern schlieen die Verschraubung nach auen dicht ab, schtzen das Gewinde vor Be- schdigung, schtzen vor Verletzung und geben der Verschraubung ein schnes Aussehen. berwurfmuttern verwendet man bei Rohrverschrau- bungen. Flgelmuttern und Rndelmuttern knnen ohne Hilfsmittel von Hand angezogen werden. Nut- und Kreuzlochmuttern mit metrischem Feingewinde dienen vielfach zum Befestigen von Wlzlagern auf Wellen und zum Einstellen des axialen Spiels. Schweimuttern werden im Karosseriebau verwendet. Mit Hilfe von elektri- schen Schweimaschinen wird die Schweimutter an drei Warzen mit dem Bauteil punktfrmig verbunden. Ein ringfrmiger Bund zentriert die Mutter im Loch.
  • Folie 13
  • WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein 13 Maschinentechnik 2. Verbindungselemente Elemente zum Verbinden von Wellen und Naben Pass- und Scheibenfederverbindung Die Passfederverbindung ist die gebruchlichste Formschlussverbindung fr Riemenscheiben, Zahnrder, Kupplungen u.dgl. mit Wellen. Scheibenf eder Rundstirnige Passfeder geradstirnige Passfeder Passfeder mit Halte- und An- drckschrauben Fr lngs bewegliche Naben wird die Passfeder mit entsprechenden Toleranzen zur Gleitfeder, z.B. bei Verschieberdern in Getrieben bei Werkzeugmaschinen. F t2 F t1 FtFt d/2 r1r1 r2r2 p d a T Weitere Verbindungen von Welle und Nabe sind: Keilverbindung Keil- und Zahnwellen - Verbindungen Polygon - Verbindung Stift - Verbindung
  • Folie 14
  • WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein 14 Maschinentechnik 2. Verbindungselemente Weitere in der Maschinentechnik genutzte Verbindungen: Klebverbindung Ltverbindung Schweiverbindung Nietverbindung 4. Eine Schraube M 6 hat einen Kerndurchmesser von 4,77 mm. Mit welcher Zugkraft kann sie belastet werden, wenn die zulssige Zugspannung z zul = 60 N/mm 2 betrgt? F=10,7 kN 5. Mit welcher Zugbelastung kann ein Spannschlo mit dem Gewinde M12 hchstens belastet werden, wenn die Zugspannung 50 N/mm 2 nicht berschritten werden darf? Der belastete Querschnitt soll mit dk = 0,8 d berechnet werden. 6. Ein Elektromotor mit einer Leistung von 25 kW und einer Drehzahl von 1420 min -1 hat einen Wellenzapfen von 40 mm Durchmesser. Eine rundstirnige Passfeder ohne Halteschraube soll ein Ritzel aus Stahl drehsicher mit der Welle verbinden. Hinweise: Eine Passfeder wird auf Abscherung beansprucht. Auerdem entsteht zwischen den Seitenflchen der Passfeder eine Flchenpressung. Die Berechnung der Passfederlnge erfolgt ber die zulssige Flchenpressung, weil dann auch die Abscherspannungen unter den zulssigen Werten bleiben. Entscheidend ist meist die Flchenpressung zwischen der Passfeder und der Nabennut, weil diese Flche kleiner ist, als die zwischen Passfeder und Wellennut und sich deshalb die grere Flchenpressung ergibt. Aufgaben F=3,62kN
  • Folie 15
  • WWU Institut fr Technik und ihre Didaktik Hein 15 Maschinentechnik 2. Verbindungselemente Die zulssige Flchenpressung betrgt beim Material der Welle und der Feder p = 120 N/mm 2. Die Tiefe der Nut in der Welle betrgt 3 mm und es steht eine Passfeder mit der Breite von b = 12 mm und einer Hhe von h = 8 mm zur Verfgung. Berechnen Sie die Lnge l der zu verwendenden Feder. FUFU hNhN h dWdW l = 23,4 mm plus 12 mm