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2. Verbindungselemente

2.1 Verbindungsarten (Wirkprinzipien)

Kraftschluss:

FF´

FN

FN´NR FF

Reibungsfaktor

•dazu ist es erforderlich, dass die Bauteile durch die Normalkraft (FN) zusammengepresst werden;

NR FFF

•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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Formschluss:

AcS

eScherflächS

:

F F´c: Formfaktor c = 0,75

c = 0,66

c = 0,5c berücksichtigt ungleichmäßige Schubspannungsverteilung

•Kraftübertragung (F) erfolgt durch den Scherwiderstand des verbindenden Teils;

•an den kraftübertragenden Flächen tritt Flächenpressung auf;

•Größe der übertragbaren Kraft: SFF SzulScher

•Verwendung: Stifte, Paßfedern, Paß – Schrauben, Verzahnungen

Stoffschluss:F

F´

•Kraftübertragung (F) erfolgt durch die Molekularkräfte in der Verbindungsfuge, (Adhäsionskräfte bei verschiedenen Werkstoffen, Kohäsionskräfte bei gleichartigen Werkstoffen)

•Größe der übertragbaren Kraft: AFF szulscher

•Verwendung: Löten, Kleben, Schweißen

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2.2 Beispiele:

2.2.1 Schraubverbindungen

•Schraubverbindungen stellen eine leicht lösbare Verbindung her.

•Liegt die Belastung in Richtung der Schraubenachse, dann handelt es sich um eine formschlüssige Verbindung. •Wirken die Kräfte senkrecht zur Schraubenachse, dann erfolgt deren Übertragung kraft-, form- oder form- und kraftschlüssig.•Alle Schrauben setzen Drehbewegungen in axiale Bewegungen um.

•Schraubenarten: Befestigungsschrauben (Übertragen axiale und/oder Querkräfte)Bewegungsschrauben (Wandeln Drehbewegungen in axiale Bewegungen; Pressen, Spindeln bei Dreh- maschinen)DichtungsschraubenEinstellschraubenMessschraubenSpannschrauben

•Das Gewinde ist eine profilierte Einkerbung längs der Schraubenlinie.

Gewindebolzen mit Mutter nach DIN 27

Analoges Bild

symbolisches analoges Bild Z

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Die Abwicklung der Schraubenlinie am Flankendurchmesser d2 führt zu einer Geraden mit dem

Steigungswinkel . Das Regelgewinde hat einen Steigungswinkel von 3°.

Je nach Wahl der Steigungsrichtung werden links- und rechtsgängige Schrauben unterschieden.

Grundformen von Gewinden

metrisches Gewinde

metrisches Feingewinde

Whitwort – Rohrgewinde

Trapezgewinde

Sägegewinde

Rundgewinde

P

P

d2

d2 d2

d2P P

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Verformung und Festigkeit von SchraubenDie Theorie der Befestigungsschrauben ist reichlich umfangreich. Allein die Belastung des Gewindes genauer zu erfassen überschreitet diesen Kurs. Da das Schrauben jedoch zu den wichtigsten Verbindungsarten, die in der Schule praktiziert werden, gehört, sind einige wesentliche Informationen über die Kraft- und Verformungsverhältnisse bei Schraubverbindungen unverzichtbar. Mit ihnen wird ein tieferes Verständnis für Schraubverbindungen möglich.

Man unterscheidet nicht vorgespannte und vorgespannte Schraubverbindungen. Die ersteren sind vor dem Angreifen einer äußeren Kraft unbelastet,also nicht vorgespannt. Das ist der Fall bei Spann-schlössern, Abziehvorrichtungen usw. Diese Variante betrachten wir im folgenden nicht.

Bei vorgespannten Verbindungen sind die Schrauben vor dem Angreifen einer Betriebskraft FV bereits

belastet. D. h., sowohl in der Schraube, als auch in den verbundenen Werkstücken treten Spannungen auf.

vor dem Festdrehen nach dem Festdrehen nach dem Angreifen der Betriebskraft

f S

f T

FV

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Verkürzung -f Längung + f

Verformungskennlinie für die Schraube (a) und für die vorgespannte Platte (b) und ihre Zusammen-führung über die gespiegelte (c) und verschobene Plattenkennlinie (d) zum Verspannungsschaubild.

fT F

V

+ F

- F

Kennlinieder ver-spanntenPlatten

b

Schrauben-Kennlinie

ad

fS fT

cF

VF

V

•Vor dem Festdrehen der Mutter sind Schraube und Bauteil noch unbelastet.

•In der Verbindung wirkt die axiale Kraft FV, die als Rückführkraft der elastisch gedehnten Schrau- be die "Feder" elastisch zusammendrückt und umgekehrt als "Federspannkraft" die Schraube die Schraube verlängert (Montagezustand) Die Vorspannkraft FV der Schraube entspricht der Klemm- kraft FKL der Bauteile.

•Wird die Mutter festgedreht, dann werden die zu verbindenden Teile - zur besseren Anschaulichkeit durch eine Feder ersetzt gedacht - um fT zusammengedrückt und gleichzeitig wird die Schraube um fS verlängert (vorgespannt).

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Verteilung der Spannungen Spannungen in Schrauben und in Bauteilen

Zugspannung in der Schraube Zugspannung in der Schraube und Druckspannung im Material

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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 Prüfspannung in N/mm2 an.•Die zweite Zahl gibt das 10-fache des Streckgrenzenverhältnisses (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 Prüfspannung in N/mm2 angibt. Die Prüfspannung der Mutter entspricht der Mindestzugfestigkeit einer entsprechenden Schraube.

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Ausführungsformen von Schrauben

Sechskantschrauben werden mit Muttern bei Durchgangs-löchern verwendet und ohne Muttern, wenn das Mutter-gewinde in das Werkstück eingeschnitten ist.

Stiftschrauben verwendet man, wenn die Verbindung häufig gelöst werden muss. Die Stiftschraube wird mit dem kurzen Gewindeende in das Muttergewinde des Werkstücks mit Hilfe eines Stiftsetzers eingesetzt. Beim Lösen der Schraubverbindung wird nur die Sechskantmutter gelöst.

Zylinderschrauben mit Innensechskant (Inbusschrauben) sind platzsparend durch den zylindrischen Kopf. Sie eignen sich für Verschraubungen, die wegen ihrer Lage nicht mit einem Sechskant-schlüssel angezogen werden können. Als Sonderbauform gibt es Zylinderschrauben mit Innenverzahnung.

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Passschrauben werden verwendet, wenn ein Verschieben der verschraubten Werkstücke verhindert werden soll und große Scherkräfte auftreten. Der Schaftdurchmesser der Passschraubeist etwas größer als der Gewindedurchmesser.

Dehnschrauben verwendet man, wenn dauernde Wechselbelastungen auftreten, z. B. am Pleuelfluß. Normale Schaftschrauben brechen bei dauernder Wechselbelastung nach einiger Zeit infolge Ermüdung, auch wenn sie genügend stark ausgeführt sind. Der Schaftdurchmesser der Dehnschraube (formelastische Schraube) beträgt nur etwa 90 % des Gewindekern-durchmessers, ausgenommen an Stellen, an denen sie in der Bohrung anliegen soll. Die mit dem Dreh- momentschlüssel richtig angezogene Dehnschraube ist mit einer Zugkraft vorgespannt, die wesentlich größer ist als die im Betrieb von außen einwirkende Zugkraft. Im Betrieb kann die Dehnschraube im elastischen Bereich bis dicht an die Streckgrenze beansprucht sein. Dehnschrauben halten ihre Verspannung selbst und benötigen keine Schrauben- sicherung. Die Gewinde müssen leichtgängig sein.

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Schlitzschrauben und Kreuzschlitzschrauben können als Zylinder-, Senk-, Linsen- oder Linsensenkschrauben mit Schlitz oder Kreuzschlitz ausgeführt sein.

Gewindestifte sind Schrauben mit Gewinde auf der ganzen Länge. Je nach Verwendung sind sie mit verschiedenartigen Enden, z. B. Spitze, Zapfenoder Ringschneide, versehen. Sie dienen zum Befestigen oder Sichern von Naben oder Lagern.

Blechschrauben werden für 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 gehärtet. Sie schneiden ihr Gewinde beim Einschrauben in das Kernloch selbst. Vor dem Einschrauben werden sie in Öl getaucht und mit Druck in Richtung der Schraubenachse eingeschraubt.

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Muttern werden in verschiedenen Formen hergestellt.

Sechskantmuttern haben eine Höhe 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 schließen die Verschraubung nach außen dicht ab, schützen das Gewinde vor Be-schädigung, schützen vor Verletzung und gebender Verschraubung ein schönes Aussehen.

Überwurfmuttern verwendet man bei Rohrverschrau-bungen.

Flügelmuttern und Rändelmuttern können ohne Hilfsmittel von Hand angezogen werden.

Nut- und Kreuzlochmuttern mit metrischem Feingewinde dienen vielfach zum Befestigen von Wälzlagern auf Wellen und zum Einstellen des axialen Spiels.

Schweißmuttern werden im Karosseriebau verwendet. Mit Hilfe von elektri-schen Schweißmaschinen wird die Schweißmutter an drei Warzen mit dem Bauteil punktförmig verbunden. Ein ringförmiger Bund zentriert die Mutter im Loch.

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Elemente zum Verbinden von Wellen und Naben

Pass- und Scheibenfederverbindung

Die Passfederverbindung ist die gebräuchlichste Formschlussverbindung für Riemenscheiben, Zahnräder, Kupplungen u.dgl. mit Wellen.

Scheibenfeder

Rundstirnige Passfeder

geradstirnige Passfeder

Passfeder mitHalte- und An-drückschrauben

Für längs bewegliche Naben wird die Passfeder mit entsprechenden Toleranzen zur Gleitfeder, z.B. bei Verschieberädern in Getrieben bei Werkzeugmaschinen.

Ft2Ft1Ft

d/2 r 1 r 2p

d

a

T

Weitere Verbindungen von Welle und Nabe sind: •Keilverbindung•Keil- und Zahnwellen - Verbindungen•Polygon - Verbindung•Stift - Verbindung

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Weitere in der Maschinentechnik genutzte Verbindungen: •Klebverbindung•Lötverbindung•Schweißverbindung•Nietverbindung

4. Eine Schraube M 6 hat einen Kerndurchmesser von 4,77 mm. Mit welcher Zugkraft kann sie belastet werden, wenn die zulässige Zugspannung z zul = 60 N/mm2 beträgt? F=10,7 kN

5. Mit welcher Zugbelastung kann ein Spannschloß mit dem Gewinde M12 höchstens belastet werden, wenn die Zugspannung 50 N/mm2 nicht überschritten 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. Außerdem entsteht zwischen den Seitenflächen der Passfeder eine Flächenpressung. Die Berechnung der Passfederlänge erfolgt über die zulässige Flächenpressung, weil dann auch die Abscherspannungen unter den zulässigen Werten bleiben. Entscheidend ist meist die Flächenpressung zwischen der Passfeder und der Nabennut, weil diese Fläche kleiner ist, als die zwischen Passfeder und Wellennut und sich deshalb die größere Flächenpressung ergibt.

Aufgaben

F=3,62kN

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Die zulässige Flächenpressung beträgt beimMaterial der Welle und der Feder p = 120 N/mm2. Die Tiefe der Nut in der Welle beträgt 3 mm und es steht eine Passfeder mit der Breite von b = 12 mm und einer Höhe von h = 8 mm zur Verfügung. Berechnen Sie die Länge l der zuverwendenden Feder.

FU h N

h

dW

l = 23,4 mm plus 12 mm