Maschinenelemente für Dummies E-Book

Anton Haberkern

• Herausgeber: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA
• Kategorie: Fachliteratur
• Serie: ...für Dummies
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 357

Veröffentlichungsjahr: 2018

Beschreibung

Maschinenelemente sind die Grundbausteine von Produktionsmaschinen, Fahrzeugen, Haushaltsgeräten und mechatronischen Geräten. Die Vielfalt reicht dabei von kleinen Verbindungselementen wie Schrauben über Kugellager bis zum komplexen Getriebe. "Maschinenelemente für Dummies" bietet einen einfachen und verständlichen Einstieg in dieses weite Gebiet. Durch die systematische Orientierung an der ausgeübten Funktion lernen Sie das gesamte Spektrum der Maschinenelemente kennen und behalten dabei immer den Überblick. Anton Haberkern nennt und erläutert die Berechnungsformeln der genannten Elemente und legt dabei großen Wert auf die verständliche Darstellung der Grundprinzipien. Durch praktische Beispiele wird das Gelernte gefestigt, die nächste Prüfung kann also kommen.

Leseprobe

Maschinenelemente für Dummies

Schummelseite

GRIECHISCHE BUCHSTABEN RICHTIG BENENNEN

Das griechische Alphabet wird für die Formelzeichen von technischen Größen häufig verwendet. Im Folgenden sehen Sie die Schreibweise der Buchstaben und ihre Namen.

Kleinbuchstabe

Großbuchstabe

Name

Kleinbuchstabe

Großbuchstabe

Name

α

A

Alpha

ν

N

Ny

β

B

Beta

ξ

Ξ

Xi

γ

Γ

Gamma

ο

O

Omikron

δ

Δ

Delta

π

Π

Pi

ε

E

Epsilon

ρ

P

Rho

ζ

Z

Zeta

σ

Σ

Sigma

η

H

Eta

τ

T

Tau

θ

Θ

Theta

υ

Y

Ypsilon

ι

I

Jota

φ

Φ

Phi

κ

K

Kappa

χ

Χ

Chi

λ

Λ

Lambda

ψ

Ψ

Psi

μ

M

My

ω

Ω

Omega

DEZIMALE VIELFACHE UND TEILE VON EINHEITEN RICHTIG ANGEBEN

Um sehr große oder sehr kleine Zahlenwerte besser lesbar darzustellen, werden dezimale Vielfache oder Teile von Maßeinheiten verwendet.

Vorsatzzeichen

Name

Zehnerpotenz

Mathematische Bezeichnung

Angewandt auf Längenmaß

T

Tera

1012

Billion

1 Tm (ein Terameter)

G

Giga

109

Milliarde

1 Gm (ein Gigameter)

M

Mega

106

Million

1 Mm (ein Megameter)

k

Kilo

103

Tausend

1 km (ein Kilometer)

h

Hekto

102

Hundert

1 hm (ein Hektometer)

da

Deka

101

Zehn

1 dam (ein Dekameter)

–

–

100

Eins

1 m (ein Meter)

d

Dezi

10–1

Zehntel

1 dm (ein Dezimeter)

c

Zenti

10–2

Hundertstel

1 cm (ein Zentimeter)

m

Milli

10–3

Tausendstel

1 mm (ein Millimeter)

μ

Mikro

10–6

Millionstel

1 µm (ein Mikrometer)

n

Nano

10–9

Milliardstel

1 nm (ein Nanometer)

p

Piko

10–12

Billionstel

1 pm (ein Pikometer)

CHEMISCHE ELEMENTSYMBOLE VERSTEHEN

Für einige chemische Elemente, die im Maschinenbau häufig verwendet werden, habe ich Ihnen hier die Elementsymbole aufgelistet. Der lateinische Name ist angegeben, wenn sich aus ihm das Elementsymbol herleitet. Oftmals lässt sich das Symbol auf diese Weise leichter merken.

Elementsymbol

Elementname

Lateinischer Name

Ag

Silber

Argentum

Al

Aluminium

Ar

Argon

Au

Gold

Aurum

C

Kohlenstoff

Carboneum

Co

Cobalt

Cobaltum

Cr

Chrom

Cu

Kupfer

Cuprum

Fe

Eisen

Ferrum

H

Wasserstoff

Hydrogenium

He

Helium

Hg

Quecksilber

Hydrargyrum

Mg

Magnesium

Mn

Mangan

Mo

Molybdän

N

Stickstoff

Nitrogenium

O

Sauerstoff

Oxygenium

Ni

Nickel

Pb

Blei

Plumbum

Pt

Platin

Si

Silicium

Sn

Zinn

Stannum

Ti

Titan

V

Vanadium

W

Wolfram

Zn

Zink

Maschinenelemente für Dummies

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

1. Auflage 2018

© 2018 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Wiley, the Wiley logo, Für Dummies, the Dummies Man logo, and related trademarks and trade dress are trademarks or registered trademarks of John Wiley & Sons, Inc. and/or its affiliates, in the United States and other countries. Used by permission.

Wiley, die Bezeichnung »Für Dummies«, das Dummies-Mann-Logo und darauf bezogene Gestaltungen sind Marken oder eingetragene Marken von John Wiley & Sons, Inc., USA, Deutschland und in anderen Ländern.

Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Coverfoto: © Gerd Gropp – Fotolia.comKorrektur: Matthias Delbrück, Dossenheim

Print ISBN: 978-3-527-71051-5ePub ISBN: 978-3-527-69272-9mobi ISBN: 978-3-527-69273-6

Über den Autor

Prof. Dr.-Ing. Anton Haberkern lehrt an der Hochschule Esslingen Maschinenelemente und Konstruktion. Er hält Vorlesungen für die Studiengänge Maschinenbau, Wirtschaftsingenieurwesen und Technische Betriebswirtschaft. Nach seinem Maschinenbau-Studium an der Universität Karlsruhe war er viele Jahre in der Werkzeugmaschinenindustrie tätig.

Über den Fachkorrektor

Prof. Dr.-Ing. Volker Hirsch unterrichtet an der Fachhochschule Karlsruhe in den Bereichen Mechanik und Konstruktion. Zudem betreut er ein studentisches Team bei der Entwicklung und dem Aufbau eines Prototypenfahrzeugs für den Shell Eco-Marathon, einem der weltweit größten Energieeffizienz-Wettbewerbe.

Inhaltsverzeichnis

Cover

Titelseite

Impressum

Über den Autor

Über den Fachkorrektor

Einleitung

Über dieses Buch

Konventionen in diesem Buch

Was Sie nicht lesen müssen

Törichte Annahmen über die Leser

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Jetzt geht es los

Teil I: Was Maschinenelemente können

Kapitel 1: Maschinen und Maschinenelemente

Die kleinsten Teilchen im Maschinenbau

Das ist ja alles so schön gleich hier

Kapitel 2: Aufgabenteilung macht stark: Die funktionale Sichtweise

Der Funktionsbegriff

Die klassischen Maschinenelemente

Die Gestaltung technischer Systeme mithilfe von Funktionen

Eine funktionsorientierte Ordnungsstruktur der Maschinenelemente

Teil II: Maschinenelemente zum Verbinden

Kapitel 3: Arten von Verbindungen – ein erster Überblick

Warum die Einheiten von Maschinen oft nicht aus einem Teil bestehen

Alles verbindet, aber wie? Verbindungsarten

Klassifizierung von Verbindungen

Kapitel 4: Reibschlüssige Verbindungen

Schraubenverbindungen

Pressverbindungen

Kapitel 5: Formschlüssige Verbindungen

Stiftverbindungen

Nut-Feder-Verbindungen

Profilverbindungen

Nietverbindungen

Kapitel 6: Stoffschlüssige Verbindungen

Schweißverbindungen

Lötverbindungen

Klebeverbindungen

Kapitel 7: Elastische Verbindungen: Federn

Federkennlinie

Federarbeit

Zusammengesetzte Systeme aus mehreren Federn

Schwingungsverhalten

Bauarten von Federn

Teil III: Maschinenelemente zum Abstützen von Bewegungen

Kapitel 8: Arten von Lagern und Führungen – ein Überblick

Gelagert oder geführt – Unterscheidung nach der Bewegungsform

Anforderungen an Lager und Führungen in Maschinen

Einteilung von Lagern und Führungen nach der Kontaktart

Kapitel 9: Gleitlager und Gleitführungen

Hydrodynamische Lager und Führungen

Hydrostatische Lager und Führungen

Aerostatische Lager und Führungen

Feststoffgeschmierte Lager und Führungen

Elektromagnetische Lager und Führungen

Kapitel 10: Wälzlager und Wälzführungen

Mögliche Bewegungsformen zwischen zwei Körpern

Die geometrischen Formen von Wälzkörpern

Das Berechnungsmodell Hertz'scher Kontakt

Die Schmiegung

Bauarten von Wälzlagern

Viel hilft viel: Anordnung von mehreren Wälzlagern

Bauarten von Wälzführungen

Profilschienen-Wälzführungen

Die Lebensdauer von Wälzkontakten berechnen

Zulässige Belastung von Wälzlagern im Stillstand

Nur nicht nachgeben: Die Steifigkeit von Wälzkontakten

Werkstoffe für Wälzlager und Wälzführungen

Kapitel 11: Reibung, Schmierung und Verschleiß

Das läuft ja wie geschmiert: Schmierstoffe

Zäh und schleimig: Die Viskosität

Unbeliebt, aber unvermeidbar: Der Verschleiß

Kapitel 12: Noch ganz dicht? Maschinenelemente zum Abdichten

Was Dichtungen können

Hermetisch dicht oder technisch dicht

Arten von Dichtungen

Teil IV: Maschinenelemente zum Umwandeln von Bewegungsformen

Kapitel 13: Arten von Getrieben im Überblick

Wo Getriebe gebraucht werden

Klassifizierung von Getrieben

Kapitel 14: Rädergetriebe

Zahnradgetriebe: Formschlüssige Räder

Reibradgetriebe

Kapitel 15: Zugmittelgetriebe

Auswahl des Zugmittels

Formschlüssige Zugmittelgetriebe

Reibschlüssige Zugmittelgetriebe

Kapitel 16: Hubgetriebe

Spindel-Hubgetriebe

Zahnstangen-Hubgetriebe

Zugmittel-Hubgetriebe

Schubketten-Hubgetriebe

Kapitel 17: Kupplungen und Bremsen

Einteilung von Kupplungen

Nichtschaltbare starre Kupplungen

Nichtschaltbare nachgiebige Kupplungen

Schaltbare fremdbetätigte Kupplungen

Schaltbare momentbetätigte Kupplungen

Schaltbare drehzahlbetätigte Kupplungen

Schaltbare richtungsbetätigte Kupplungen

Bremsen

Teil V: Der Top-Ten-Teil

Kapitel 18: Zehn interessante Daten zur wirtschaftlichen Bedeutung des Maschinenbaus

Die größten Industriezweige

Bilanz des deutschen Maschinenaußenhandels

Deutsche Maschinenexporte nach Regionen

Deutsche Maschinenexporte nach einzelnen Abnehmerländern

Deutsche Maschinenimporte nach Regionen

Deutsche Maschinenimporte nach einzelnen Lieferländern

Deutscher Maschinenaußenhandel nach Fachzweigen

Welthandelsanteile

Maschinenexporteure nach Maschinengruppen

Weltproduktion von Werkzeugmaschinen

Lösungen der Übungsaufgaben

Kapitel 4

Kapitel 7

Kapitel 9

Kapitel 10

Kapitel 14

Kapitel 15

Kapitel 16

Kapitel 17

Stichwortverzeichnis

End User License Agreement

Guide

Cover

Inhaltsverzeichnis

Fangen Sie an zu lesen

Tabellenverzeichnis

Kapitel 2

Tabelle 2.1: Die klassischen Maschinenelemente

Tabelle 2.2: Ordnungsstruktur der Maschinenelemente

Kapitel 3

Tabelle 3.1: Klassifizierung von Verbindungen

Kapitel 4

Tabelle 4.1: Belastungsfälle von Schraubenverbindungen

Tabelle 4.2: Festigkeitsklassen für Schrauben nach ISO 898-1

Tabelle 4.3: Grobdimensionierung einer Schraubenverbindung nach VDI 2230

Kapitel 5

Tabelle 5.1: Formschlüssige Verbindungen

Tabelle 5.2: Dimensionierung von Stiftverbindungen

Kapitel 6

Tabelle 6.1: Vergleich stoffschlüssiger Verbindungen

Tabelle 6.2: Übersicht Lötverfahren

Kapitel 8

Tabelle 8.1: Übersicht Kontaktarten

Kapitel 10

Tabelle 10.1: Radiallager für Wellendurchmesser 70 mm

Tabelle 10.2: Beiwert für die Erlebenswahrscheinlichkeit

Kapitel 11

Tabelle 11.1: Vergleich von Mineralölen und Synthetikölen

Tabelle 11.2: Maßnahmen zur Verschleißreduzierung

Kapitel 13

Tabelle 13.1: Klassifizierungsmerkmale von Getrieben

Kapitel 14

Tabelle 14.1: Kenngrößen von Stirnradgetrieben

Tabelle 14.2: Vergleich Zahnrad- und Reibradgetriebe

Kapitel 15

Tabelle 15.1: Auswahlkriterien Zugmittel

Kapitel 16

Tabelle 16.1: Reibung in Gewindetrieben

Kapitel 18

Tabelle 18.1: Die größten Industriezweige

Tabelle 18.2: Bilanz des deutschen Maschinenaußenhandels

Tabelle 18.3: Deutsche Maschinenexporte nach Regionen

Tabelle 18.4: Deutsche Maschinenexporte nach einzelnen Abnehmerländern

Tabelle 18.5: Deutsche Maschinenimporte nach Regionen

Tabelle 18.6: Deutsche Maschinenimporte nach einzelnen Lieferländern

Tabelle 18.7: Deutscher Maschinenaußenhandel nach Fachzweigen

Tabelle 18.8: Welthandelsanteile

Tabelle 18.9: Rangfolge der weltweiten Maschinenexporteure nach Maschinengruppen

Tabelle 18.9: Weltweite Werkzeugmaschinen-Produktion

Illustrationsverzeichnis

Kapitel 2

Abbildung 2.1: Bildliche Darstellung einer technischen Funktion

Abbildung 2.2: Funktionsbeschreibung Rasenmäher (1. Betrachtungsebene)

Abbildung 2.3: Funktionsbeschreibung Rasenmäher (2. Betrachtungsebene)

Abbildung 2.4: Funktionsbeschreibung Rasenmäher (X. Betrachtungsebene)

Kapitel 3

Abbildung 3.1: Verbindungselemente in Maschinen (M = Maschine, E = Einheit, R = Relativbewegung, K = Körper, V = Verbindungselement)

Abbildung 3.2: Grundprinzipien von Verbindungen (a: reibschlüssig, b: formschlüssig, c: stoffschlüssig, d: elastisch)

Kapitel 4

Abbildung 4.1: Die Schraubenlinie als aufgewickelter Keil

Abbildung 4.2: Kraftverstärkung am Keil

Abbildung 4.3: Kenngrößen eines Schraubengewindes

Abbildung 4.4: Typische Gewindeprofile mit Angabe des Flankenwinkels

Abbildung 4.5: Federkennlinien von Schraube und Platten

Abbildung 4.6: Verspannungsdiagramm einer Schraubenverbindung

Abbildung 4.7: Prinzip der Pressverbindung

Abbildung 4.8: Arten von Pressverbindungen

Kapitel 5

Abbildung 5.1: Stiftformen

Abbildung 5.2: Ausführungsbeispiele für Stiftverbindungen

Abbildung 5.3: Passfeder und Scheibenfeder

Abbildung 5.4: Analogie zwischen Längsstift- und Passfeder-Verbindung

Abbildung 5.5: Profilwellen

Abbildung 5.6: Setzen eines Niets

Kapitel 6

Abbildung 6.1: Arten stoffschlüssiger Verbindungen

Abbildung 6.2: Einteilung Schweißverfahren

Abbildung 6.3: Wichtige Schweißverfahren

Abbildung 6.4: Schweißnahtformen

Abbildung 6.5: Arten von Klebstoffen

Kapitel 7

Abbildung 7.1: Typische Federkennlinien (a: linear, b: progressiv, c: degressiv, d: linear abknickend)

Abbildung 7.2: Systeme aus mehreren Federn (a: Parallelschaltung, b: Reihenschaltung, c: Mischschaltung)

Abbildung 7.3: Schwingungsfähige Feder-Masse-Systeme

Abbildung 7.4: Bauarten von Federn

Abbildung 7.5: Innere Beanspruchung der Feder

Abbildung 7.6: Möglichkeiten zur Anordnung mehrerer Tellerfedern

Kapitel 8

Abbildung 8.1: Prinzipieller Aufbau einer Maschine (K: Körper, V: Verbindungselement, E: Einheit, R: Relativbewegung)

Abbildung 8.2: Bewegungs-Freiheitsgrade eines Körpers im Raum

Abbildung 8.3: Beispiele für Maschinenelemente zum Abstützen von Bewegungen

Abbildung 8.4: Anforderungen an Lager und Führungen in Maschinen

Kapitel 9

Abbildung 9.1: Reibungszustände

Abbildung 9.2: Normalkraft und Reibkraft eines Kontakts

Abbildung 9.3: Das Stribeck-Diagramm

Abbildung 9.4: Hydrodynamisches Lager

Abbildung 9.5: Hydrodynamische Führung

Abbildung 9.6: Vergleich Hydrodynamik und Hydrostatik

Abbildung 9.7: Einzelne Hydrostatik-Drucktasche

Abbildung 9.8: Druckversorgung direkt oder über Drosseln

Abbildung 9.9: Druckregler für Hydrostatik-Tasche

Abbildung 9.10: Hydrostatisch gelagerte Drehspindel

Abbildung 9.11: Hydrostatischer Gewindetrieb

Abbildung 9.12: Druckluftaufbereitung für aerostatische Systeme

Abbildung 9.13: Aerostatisch gelagerte Maschinenspindel

Abbildung 9.14: Regelkreis für eine elektromagnetische Abstützung

Kapitel 10

Abbildung 10.1: Die Bewegungsformen

Abbildung 10.2: Wälzkörperformen

Abbildung 10.3: Wälzlager-Bauarten

Abbildung 10.4: Grundprinzipien zur Anordnung von Wälzlagern

Abbildung 10.5: Zylinderrollenlager als Loslager

Abbildung 10.6: Rillenkugellager als Loslager

Abbildung 10.7: Wälzführung ohne interne Vorspannung

Abbildung 10.8: Wälzführung mit interner Vorspannung

Abbildung 10.9: Wälzführung ohne Wälzkörperrückführung

Abbildung 10.10: Wälzführung mit Wälzkörperrückführung

Abbildung 10.11: Profilschienen-Wälzführungen

Abbildung 10.12: Vergleich der Stribeck-Kurven von Gleitkontakt (HD) und Wälzkontakt (EHD)

Abbildung 10.13: Umlenkrolle eines Lastenaufzugs

Abbildung 10.14: Nachgiebigkeitskennlinien

Kapitel 11

Abbildung 11.1: Zur Schmierung verwendete Stoffe

Abbildung 11.2: Festschmierstoffe mit Schichtstruktur

Abbildung 11.3: Nichtadhäsiver Kunststoff

Abbildung 11.4: Innere Reibung einer Flüssigkeit

Abbildung 11.5: ISO VI (Viscosity Index)

Abbildung 11.6: Viskositätsänderung mit der Temperatur

Abbildung 11.7: Kontrollierte und unkontrollierte Abrasion

Abbildung 11.8: Kontrollierte und unkontrollierte Adhäsion

Abbildung 11.9: Zuordnung Schadensbild zu Verschleißmechanismus

Kapitel 12

Abbildung 12.1: Einteilung von Dichtungen

Abbildung 12.2: Statische berührende Dichtungen

Abbildung 12.3: Dichtringe für rotierende Bewegungen

Abbildung 12.4: Abstreifer für lineare Bewegungen

Abbildung 12.5: Dynamische, berührungslose Dichtungen

Kapitel 13

Abbildung 13.1: Kettengetriebe

Abbildung 13.2: Zahnstange-Ritzel-Getriebe

Abbildung 13.3: Schraubengetriebe

Kapitel 14

Abbildung 14.1: Formschlüssige (links) und reibschlüssige Räder (rechts)

Abbildung 14.2: Grundformen von Zahnrädern

Abbildung 14.3: Arten von Stirnrädern

Abbildung 14.4: Verzahnungsrichtung

Abbildung 14.5: Die Evolvente(nkurve)

Abbildung 14.6: Triebstockverzahnung

Abbildung 14.7: Definition des Teilkreisdurchmessers

Abbildung 14.8: Kenngrößen an einem Stirnradpaar (

M

1/2

: Drehmomente,

d

f

,

d

a

: Kopf-/Fußkreisdurchmesser, siehe weiter unten)

Abbildung 14.9: Einzelner Zahn mit Zahnlücke

Abbildung 14.10: Zweistufiges Getriebe mit vier Stirnrädern

Abbildung 14.11: Räderzug aus drei Stirnrädern

Abbildung 14.12: Getriebe mit fünf Stirnrädern

Abbildung 14.13: Reibradgetriebe mit stufenlos veränderlicher Übersetzung

Kapitel 15

Abbildung 15.1: Vergleich von Räder- und Zugmittelgetrieben

Abbildung 15.2: Arten von Zugmitteln

Abbildung 15.3: Kettengetriebe

Abbildung 15.4: Kettenbauarten

Abbildung 15.5: Zahnriemengetriebe

Abbildung 15.6: Profilformen von Zahnriemen

Abbildung 15.7: Kräfte am Riemenrad

Abbildung 15.8: Flachriemengetriebe

Abbildung 15.9: Kraftverstärkung am Keilriemen

Kapitel 16

Abbildung 16.1: Arten von Hubgetrieben

Abbildung 16.2: Gleitgewindetrieb

Abbildung 16.3: Kugelgewindetrieb

Abbildung 16.4: Hydrostatischer Gewindetrieb

Abbildung 16.5: Zahnstange-Ritzel-Hubgetriebe

Abbildung 16.6: Zahnstange-Schnecke-Hubgetriebe

Abbildung 16.7: Zahnriemen-Hubgetriebe

Abbildung 16.8: Schubketten-Hubgetriebe

Kapitel 17

Abbildung 17.1: Einteilung von Kupplungen

Abbildung 17.2: Scheibenkupplung (DIN 116 Form A)

Abbildung 17.3: Kreuzscheibenkupplung (Oldham-Kupplung)

Abbildung 17.4: Klauenkupplung

Abbildung 17.5: Scherstiftkupplung

Abbildung 17.6: Backenkupplung

Abbildung 17.7: Klinkensperrkupplung

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E1

Einleitung

Es gibt sicher schon mehrere Bücher über Maschinenelemente, die sehr gut für Vollblut-Ingenieure und -Ingenieurinnen geeignet sind. Diese schon lange etablierten Bücher gehen so weit in die Tiefe, wie es notwendig ist, um Maschinenelemente selbst auslegen und gestalten zu können, sind also für das Berufsbild Maschinenkonstrukteur gedacht. Dann gibt es Bücher, die sogar noch tiefer in die Physik der Maschinenelemente eintauchen, für diejenigen, die selbst Maschinenelemente neu und weiter entwickeln wollen.

Über dieses Buch

Das Buch, das Sie gerade in Händen halten, hat eine etwas andere Zielgruppe im Auge. Es richtet sich an alle, die einen fundierten, fachlich korrekten Zugang zu den Maschinenelementen suchen, ohne selbst den Hintergrund eines voll ausgebildeten Ingenieurs zu haben. Ich habe deshalb in diesem Buch versucht, weitgehend ohne Fachchinesisch und ohne Beispiele auszukommen, die nur jemand verstehen kann, der ein Ingenieurstudium absolviert (hat). Die Zielgruppe, die ich dabei vor allem im Auge habe, sind Studierende mit Maschinenelementen als Nebenfach, oder berufstätige Praktiker, die kein Maschinenbau-Studium absolviert haben.

In diesem Buch sind zu jedem Maschinenelement die grundlegenden Berechnungsformeln enthalten und erläutert. Ich habe mich dabei auf die Formeln beschränkt, die Sie mit dem Schulwissen der Physik nachvollziehen und begreifen können. Wenn das gelingt, dann fördern die Berechnungsformeln das Verständnis der Funktionsweise! Darüber hinausgehende Formeln, die Spezialfälle abbilden und auf Erfahrungswerten beruhen, habe ich weggelassen, da sie das Verständnis nicht mehr weiter vergrößern. Ein Maschinenkonstrukteur benötigt natürlich auch diese Spezialformeln, sodass dieses Buch alleine für das Hauptfach Maschinenelemente in einem Maschinenbaustudium nicht ausreicht.

Als das Buch fertig war, habe ich bemerkt, dass es sich trotzdem auch sehr gut für »richtige Ingenieure« als Einstieg in das Thema oder als Auffrischung eignet. Vielleicht wird durch den speziellen Ansatz dieses Buches noch mehr ein breites Verständnis und die Fähigkeit zum Vergleichen und Auswählen gefördert, als dies möglich wäre, wenn man jeweils komplett die praktischen Spezialfälle abhandeln müsste.

Konventionen in diesem Buch

In

kursiver

Schrift stehen Begriffe, wenn sie zum ersten Mal auftauchen. Sie erkennen daran, dass hier ein neuer Begriff eingeführt wird.

In

fetter

Schrift finden Sie die für den jeweiligen Abschnitt besonders wichtigen Aussagen. Hieran erkennen Sie die Schlüsselbotschaften.

Was Sie nicht lesen müssen

Sie müssen dieses Buch nicht der Reihe nach von vorne bis hinten durchlesen. Fangen Sie ruhig mit dem Kapitel an, das für Sie besonders wichtig ist. Sie können jedes Kapitel für sich alleine verstehen.

Törichte Annahmen über die Leser

Ob es sehr töricht von mir war, folgende Vorstellung von Ihnen zu haben, wissen jetzt nur Sie allein:

Sie können mit den Winkelfunktionen Sinus, Kosinus und Tangens rechnen.

Sie verstehen die Bedeutung der physikalischen Größen Kraft, Drehmoment, Geschwindigkeit, Leistung und Arbeit.

Sie kennen die Lastfälle Zug, Druck, Biegung und Torsion, sowie die Normal- und Schubspannungen, die sich daraus ergeben.

Sie können einfache technische Zeichnungen lesen.

Sie möchten gerne die Funktionsweise der wichtigsten Maschinenelemente verstehen und die grundlegenden Formeln zu deren Auslegung anwenden können.

Kurz gesagt: Sie sind absolut kein »Dummerchen«, höchstens vielleicht ein »Dummie« im Sinne von »Noch-nicht-Fachmann«.

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Dieses Buch besteht aus fünf Teilen, die jeweils mehrere Kapitel umfassen. Folgende Inhalte erwarten Sie in den einzelnen Teilen:

Teil I – Was Maschinenelemente können

In diesem Teil werden die Grundbegriffe (wie Maschine, Element, Funktion) vorgestellt und geklärt, sodass Sie mit den richtigen Vorstellungen an die nachfolgenden Kapitel herangehen können. Am Ende dieses Teils finden Sie eine systematische Ordnung aller Maschinenelemente auf der Grundlage ihrer Funktion.

Teil II – Maschinenelemente zum Verbinden

Das Verbinden von vorher getrennt hergestellten Teilen ist eine der Hauptfunktionen zum Aufbau von Maschinen. In diesem Teil werden alle Maschinenelemente behandelt, die diese Funktion erfüllen können. Dies umfasst so unterschiedliche Möglichkeiten wie Schraubenverbindungen, Schweißverbindungen, elastische Federn und noch einige andere mehr.

Teil III – Maschinenelemente zum Abstützen von Bewegungen

In jeder Maschine bewegen sich Teile (das werden Sie in der Definition des Begriffs »Maschine« sehen). Diese Bewegungen präzise und stabil abzustützen, ist eine weitere Hauptfunktion und die Maschinenelemente, die das tun, werden in diesem Teil behandelt. Kurz gesagt sind das alle denkbaren Arten von Lagern und Führungen.

Teil IV – Maschinenelemente zum Umwandeln von Bewegungsformen

Das Umwandeln einer vorhandenen Bewegungsform in eine andere benötigte Bewegung ist die Hauptfunktion, die in diesem Teil behandelt wird. Die Maschinenelemente, die das leisten, fasst man unter dem Begriff »Getriebe« zusammen. Vielleicht werden Sie sich wundern, was es alles für verschiedene Getriebeformen gibt.

Teil V – Der Top-Ten-Teil

In diesem letzten Teil schließlich habe ich Ihnen einige, wie ich meine, interessante Daten und Fakten über die Branche und die Märkte des Maschinenbaus zusammengetragen. Hier wird zum Abschluss hoffentlich deutlich, wie die »übrige Welt« mit den Produkten des Maschinenbaus zusammenhängt.

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Die folgenden Symbole zeigen Ihnen besonders wichtige und hilfreiche Passagen im Buch an:

Dieses Symbol steht, wenn ein Begriff beziehungsweise eine technische Größe definiert wird.

Unter diesem Symbol finden Sie Beispiele aus der Praxis, die das jeweilige Thema anschaulich werden lassen.

Dieses Symbol signalisiert Ihnen wertvolle Tipps und Tricks, die das Leben leichter machen.

Unter diesem Symbol sind wichtige Zusammenhänge nochmals in Merksätzen zusammengefasst, die Sie sich einprägen sollten.

Bei diesem Symbol finden Sie Übungsaufgaben, mit denen Sie die Anwendung des zuvor Gelernten einüben können.

Jetzt geht es los

Genug der Vorrede. Blättern Sie um und stürzen Sie sich in die spannende Welt der Maschinenelemente!

Teil I

Was Maschinenelemente können

IN DIESEM TEIL …

möchte ich mit Ihnen gemeinsam die grundlegenden Begriffe erörtern und klären, als da wären: die Maschine, das Element, die Standardisierung und die Funktion.

Aus diesem Begriffsverständnis heraus möchte ich schließlich ein Ordnungsschema ableiten, das sämtliche Maschinenelemente nach der von ihnen erfüllten Funktion ordnet und klassifiziert.

Kapitel 1

Maschinen und Maschinenelemente

IN DIESEM KAPITEL

Was Sie sich unter einer Maschine sowie einem Element vorstellen sollten.

Welche technischen Gebilde zu den Maschinen zählen.

Worin der enorme Vorteil der Standardisierung von Maschinenelementen besteht.

Maschinenelemente werden im Maschinenbau benötigt, also zum Bauen von Maschinen, das ist irgendwie klar. Aber welche technischen Gebilde gelten eigentlich als Maschine?

Die kleinsten Teilchen im Maschinenbau

Ist eine Kuckucksuhr eine Maschine? Ist eine Schneekanone eine Maschine? Sie merken an meinen Beispielen, dass ich gerade erst im Schwarzwald unterwegs war, aber das tut jetzt nichts zur Sache, es sind einfach willkürliche Beispiele.

Auf jeden Fall sollten wir zuallererst definieren, wann wir ein technisches Ding als Maschine bezeichnen. Hier gebe ich Ihnen eine solche Definition, bitte schön:

Eine Maschine ist eine Einrichtung mit mehreren mechanischen Einheiten, die sich relativ zueinander in gewünschter Weise bewegen. Bei dieser Bewegung wird Energie umgesetzt.

Das klingt wohl doch noch etwas theoretisch, da tun ein paar praktische Beispiele gut. Lassen Sie mich mit der bereits erwähnten Kuckucksuhr beginnen:

Nach der Definition ist die Kuckucksuhr ganz klar eine Maschine. Sie hat einen Energiespeicher (zum Beispiel hochgezogene Gewichte oder eine aufgezogene Feder) und setzt diese Energie in gewünschte Bewegungen verschiedener mechanischer Einheiten um (Minutenzeiger, Stundenzeiger, Türchen, Kuckuck).

Dann ist da noch die Frage nach der Schneekanone offen.

Auch eine Schneekanone ist nach unserer Definition eine Maschine. Sie setzt Energie in Bewegungen um, damit aus Wasser kleine Eiskristalle werden und diese dann gezielt ausgeblasen werden können.

Aus welchen Quellen kann eigentlich die Energie kommen, die in einer Maschine umgesetzt wird?

Auch ein Fahrrad ist eine Maschine. Sowohl die eingesetzte Energie als auch die gesamten Steuerungsfunktionen dürfen durchaus vom Menschen stammen. Eine Maschine kann einen automatischen Antrieb oder eine automatische Steuerung haben, muss es aber nicht.

Mit meinem letzten Beispiel gehe ich einmal ganz weit in die Vergangenheit zurück:

Vermutlich eine der ältesten bekannten Maschinen ist eine Tierfalle mit Auslösemechanismus, die es bereits in der Altsteinzeit gab.

Das waren einige ganz unterschiedliche Beispiele für Maschinen. Aber fallen Ihnen auch Gegenbeispiele ein, also technische Gebilde, die keine Maschinen nach der oben gegebenen Definition sind? Überlegen Sie bitte selbst einen Moment, bevor Sie weiterlesen.

Mir sind gerade folgende Beispiele für Nicht-Maschinen eingefallen: Ein Hammer, eine Herdplatte, eine Brennstoffzelle oder eine Eisenbahnbrücke (außer sie ist eine Klappbrücke, dann wäre es doch wieder eine Maschine).

Für besonders wichtige Gruppen von Maschinen gibt es spezielle Bezeichnungen, die ich Ihnen hier ebenfalls erläutern möchte:

Eine Arbeitsmaschine ist eine Maschine, die nutzbare Arbeit verrichtet.

Beispiele für reine Arbeitsmaschinen sind eine Nähmaschine, die mit Fußpedal angetrieben wird, oder eine Ankerwinde, die Sie per Handkurbel bedienen.

Eine Kraftmaschine ist eine Maschine, die eine beliebige vorhandene Energieform in mechanische Energie umwandelt.

Beispiele für reine Kraftmaschinen sind ein Verbrennungsmotor (wandelt chemisch gebundene Energie in mechanische um) oder ein Elektromotor (wandelt elektrische Energie in mechanische um).

Häufig werden eine Kraftmaschine und eine Arbeitsmaschine zu einer Einheit zusammengebaut. Die Gesamtmaschine besteht dann aus diesen beiden Teilmaschinen. Das ist zum Beispiel bei einem elektrischen Rasenmäher so, oder auch bei einer Diesellokomotive.

Das Wort Maschine gehört heute zur deutschen Sprache, doch woher stammt es eigentlich? Es hat sich aus dem französischen Wort machine gebildet, das selbst von dem lateinischen Wort machina abstammt. Dieses wiederum geht auf das griechische Wort mechane zurück, mit dem Werkzeuge, künstliche Hilfsmittel und Vorrichtungen, aber auch allgemein Kunstgriffe oder überhaupt geniale Ideen bezeichnet wurden.

Von dem Begriff Maschine sollten Sie jetzt eine einigermaßen klare Vorstellung haben. Als Nächstes möchte ich auf die zweite Worthälfte unseres Buchtitels zu sprechen kommen. Nein, nicht auf den Dummie, sondern auf das Element.

Der Begriff »Element« ist uns unter anderem aus der Mathematik, aus der Chemie oder auch aus der Informatik bekannt. Ich möchte Ihnen jetzt eine sehr allgemeine Definition dafür geben:

Ein Element ist ein Grundbaustein einer größeren Einheit, der selbst nicht mehr sinnvoll weiter zerlegbar ist. Mehrere Elemente zusammen ergeben ein größeres Ganzes.

Dies wird auch deutlich, wenn man weiß, dass das Wort Element vom lateinischen Wort Elementum abstammt, das so viel wie Grundstoff bedeutet. Wenn Sie jetzt die beiden Begriffe Maschine und Element zum Maschinenelement zusammenfügen, dann ergibt sich zwangsläufig dessen Bedeutung. Ich möchte sie gerne in folgender Definition festschreiben:

Maschinenelemente sind die kleinsten, nicht mehr sinnvoll zerlegbaren und in gleicher oder ähnlicher Form immer wieder verwendeten Grundbestandteile von Maschinen.

Bitte beachten Sie, dass ein Maschinenelement nach dieser Definition nicht zwangsläufig ein Körper aus einem Stück Material (wie zum Beispiel eine Schraube) sein muss. Es kann auch aus mehreren einzelnen Teilen zusammengesetzt sein (wie zum Beispiel ein Kugellager).

Achtung: Nach der oben gegebenen Definition wäre die chemische Analogie zum Maschinenelement nicht das chemische Element, sondern ein reiner Stoff, also ein chemisches Element oder eine chemische Verbindung.

Etwas weiter oben habe ich Ihnen das Fahrrad als ein Beispiel für eine Maschine vorgestellt. Daran sehen Sie, dass eine Maschine nicht immer vollautomatisch arbeiten muss. Man spricht vielmehr von den folgenden unterschiedlichen Rationalisierungsgraden:

Mechanisierung. Hier dient die Maschine zur Verstärkung der menschlichen Kraft. Antriebsenergie und die komplette Steuerungsfunktion liegen weiterhin beim Menschen (zum Beispiel ein herkömmliches Fahrrad).

Elektrifizierung. Jetzt wird die Antriebsleistung als elektrische Energie zugeführt. Meistens liegt die Kombination Mechanisierung und Elektrifizierung vor (zum Beispiel ein E-Bike oder eine elektrische Handbohrmaschine).

Automatisierung. Nun wird die Steuerungsfunktion vom Menschen an ein automatisches System übergeben. In der Regel hat man eine Kombination aus Mechanisierung, Elektrifizierung und Automatisierung (zum Beispiel das autonome Fahren auf der Autobahn oder die fahrerlosen Transportsysteme in einer Fabrik).

Achtung: Der höchste Rationalisierungsgrad ist nicht immer der wirtschaftlichste! Das wird gerade von hoch ausgebildeten Ingenieuren manchmal vergessen. Überlegen Sie genau, ob es Sinn macht, zum Beispiel eine teure und komplizierte Automatisierung für einen vielleicht ganz einfachen Vorgang einzuführen.

Das ist ja alles so schön gleich hier

»In gleicher oder ähnlicher Form immer wieder verwendet« heißt es in der vorausgegangenen Definition über die Maschinenelemente. Das ist ein besonders wichtiger Aspekt: Maschinenelemente lassen sich standardisieren und normen. Sie können sich vorstellen, dass die Standardisierung nicht nur in technischer, sondern vor allem auch in wirtschaftlicher Hinsicht ein enormer Vorteil ist. Große Stückzahlen gleicher Teile können viel kostengünstiger hergestellt werden, als wenn ein Teil jedes Mal anders aussehen müsste.

Auf einen weiteren Punkt möchte ich unbedingt noch zu sprechen kommen: Ist Standardisierung und Normung das Gleiche – was meinen Sie?

Die richtige und wichtige Antwort ist: Nein – dies sind zwei unterschiedliche Dinge!

Ein

Standard

ist eine Vorzugsbauweise, die sich ohne formelle Festschreibung herausgebildet hat. So kann zum Beispiel eine einzelne Firma durch ihren großen Marktanteil einen Standard entstehen lassen.

Eine

Norm

ist eine formelle Festschreibung, die nur durch genau vorgeschriebene Abläufe in dafür gesetzlich bestimmten Gremien erstellt werden kann. Dieser Ablauf kann übrigens mehrere Jahre für eine einzige Norm dauern.

Die Norm ist also eine auf Basis gesetzlicher Regeln erarbeitete Festschreibung. Ist die Norm selbst damit ein Gesetz? Ist es vorgeschrieben, nach Norm zu bauen? Nein, das ist es nicht, das sollten Sie sich ganz bewusst machen.

Sie werden mit keinem Gesetz in Konflikt kommen, wenn Sie dreieckige Mülltonnen auf dem Markt anbieten und diese überall bewerben. Das Gleiche gilt für Druckerpapier, das einfach 5 % größer ist als das Format A4 (»mehr Schreibfläche gratis!«).

Ihr Problem wird eher sein, dass Sie keinen wirtschaftlichen Erfolg mit diesen Produkten haben.

Wenn Sie also eine geniale neue Idee haben, dürfen Sie jederzeit von der Norm abweichen, Sie sollten nur vorher gut überlegen, ob Sie auch damit rechnen können, dass es am Markt angenommen wird.

Nach diesen Überlegungen sollte Ihnen jetzt der Unterschied bewusst sein, ob es sich bei einem Bauteil wirklich um ein Normteil oder vielleicht doch »nur« um ein Standardteil handelt.

Normen erkennen Sie an der Bezeichnung des jeweiligen Normungsgremiums:

DIN

(Deutsches Institut für Normung e. V.)

EN

(Europäisches Komitee für Normung)

ISO

(International Organization for Standardization)

Ein Standard hat dagegen einfach eine Bestellbezeichnung seines Herstellers. Achtung: Auch die Standards von den folgenden Berufs- oder Branchenverbänden sind keine Normen!

VDI

(Verein Deutscher Ingenieure e. V.)

VDE

(Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik e. V.)

UVV

(Unfallverhütungsvorschrift der Berufsgenossenschaft)

Leichtfertig sollten Sie allerdings weder von einer Norm noch von einem Standard abweichen, vor allem wenn Ihr Produkt Leib und Leben der Benutzer betrifft.

Sollte jemand durch die Benutzung Ihres Produkts zum Beispiel seinen Arm verlieren, so liegt der Verdacht einer Straftat vor, sodass zwangsläufig eine staatsanwaltliche Ermittlung folgt.

Kapitel 2

Aufgabenteilung macht stark: Die funktionale Sichtweise

IN DIESEM KAPITEL

Was Sie sich unter der Funktion eines Maschinenelements vorstellen sollten.

Der praktische Nutzen des Funktionsbegriffs für die Gestaltung technischer Systeme.

Wie sich die Vielfalt der Maschinenelemente systematisch ordnen lässt.

Eine wichtige Erkenntnis im vorausgegangenen Kapitel war, dass Maschinenelemente immer wieder in gleicher oder ähnlicher Form in ganz unterschiedlichen Maschinen verwendet werden. Der wirtschaftliche Vorteil dieser Standardisierung liegt auf der Hand: Große Stückzahlen gleicher Teile können viel kostengünstiger hergestellt werden, als wenn die Teile jedes Mal anders aussehen.

Doch was ist der technische Hintergrund dieser Standardisierung? Warum kann zum Beispiel das baugleiche Kugellager in einem Staubsauger, einem Fahrrad und einem Flugzeugsitz verwendet werden?

Der Funktionsbegriff

Der entscheidende Begriff aus technischer Sicht ist die Funktion. In einem allgemeinen Sinne steht Funktion für »das, was jemand oder eine Sache tut oder leistet«. Dies deckt sich auch mit der Herkunft des Worts vom lateinischen functio, was so viel wie Verrichtung oder Tätigkeit bedeutet. Für die Anwendung in der Technik benötigen wir jedoch einen schärfer gefassten Funktionsbegriff. Schauen wir uns als Nächstes doch einmal an, was in der Mathematik unter einer Funktion verstanden wird.

Eine mathematische Funktion ist eine Beziehung zwischen zwei Mengen, die jedem Element der einen Menge genau ein Element der anderen Menge zuordnet.

Erinnert Sie das an Ihren Mathematik-Unterricht? Man kann unter einer solchen Funktion auch eine Beziehung zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangsgröße verstehen. Das heißt, die Funktion bestimmt, welches Ergebnis am Ausgang erscheint, wenn ein bestimmter Wert am Eingang vorliegt. Die Tätigkeit oder Verrichtung der Funktion besteht also darin, eine Ausgangsgröße in Abhängigkeit der vorhandenen Eingangsgröße zu erzeugen.

Jetzt übertragen Sie bitte diese Vorstellung aus der Mathematik in die Welt der Technik, sagen wir ganz rustikal auf eine Brechstange. Hier ist die Eingangsgröße die Kraft, die Sie mit Ihrem Arm aufbringen können (die aber viel zu klein ist, um damit den Mauerstein direkt aus der Wand herauszubrechen). Die Ausgangsgröße ist eine viel größere Kraft (groß genug, um den gewünschten Effekt zu erzielen). Sie haben jetzt eine funktionale Beschreibung der Brechstange – sagen wir allgemein des Maschinenelements Hebel. In Worten lässt sich die Funktion als »Kraft verstärken« ausdrücken. Es ist gut, wenn Sie sich angewöhnen, technische Funktionen möglichst in dieser Form »Hauptwort und Tunwort« zu formulieren.

Sie können die Funktion des Hebels auch in einer Formel ausdrücken:

Fb

Kraft am Ausgang = Ausgangsgröße

Fa

Kraft am Eingang = Eingangsgröße

a

Hebelarm der Eingangskraft

b

Hebelarm der Ausgangskraft

Für den Maschinenbau hat es sich als nützlich herausgestellt, drei Typen von Eingangs- und Ausgangsgrößen besonders zu beachten, nämlich

Stoff

Energie

Signal

Und wie häufig in der Technik, wird als anschauliche Darstellungsform eine bildliche gewählt. Sie sehen das in Abbildung 2.1.

Abbildung 2.1: Bildliche Darstellung einer technischen Funktion

Manchmal lässt sich von einem technischen Gebilde als Ganzem feststellen, dass sein Hauptzweck in der Umformung von einem dieser drei Größentypen besteht. Für diese drei Fälle gibt es spezielle Bezeichnungen:

Eine

Maschine

ist ein technisches System, das vor allem Energie umwandelt.

Ein

Apparat

ist ein technisches System, das vor allem Stoffe umwandelt.

Ein

Gerät

ist ein technisches System, das vor allem Signale umwandelt.

Die klassischen Maschinenelemente

Der im vorausgegangenen Abschnitt besprochene Hebel ist eines der sogenannten klassischen Maschinenelemente, die bereits seit der Antike bekannt sind. In der Literatur werden sie manchmal auch als »klassische Maschinen« bezeichnet, aber das wissen Sie ja bereits besser! Nach unserer Definition ist ein Hebel keine Maschine, sondern ein Maschinenelement. In Tabelle 2.1 sehen Sie eine Übersicht der klassischen – antiken – Maschinenelemente, natürlich mit Angabe ihrer jeweiligen Funktionen!

Klassisches Maschinenelement

Funktionen

Hebel

Kraft verstärken

Kraftrichtung umlenken

Seilrolle

Kraftrichtung umlenken

Keil

Kraft verstärken

Kraftrichtung umlenken

schiefe Ebene (ein ortsfester Keil, auf dem die Last verschoben wird)

Kraft verstärken

Kraftrichtung umlenken

Bewegungsschraube (ein Keil, der auf eine Zylinderfläche aufgewickelt wurde)

Kraft verstärken

Kraftrichtung umlenken

Tabelle 2.1: Die klassischen Maschinenelemente

Die Gestaltung technischer Systeme mithilfe von Funktionen

Im vorausgegangenen Abschnitt haben Sie den technischen Funktionsbegriff kennengelernt. Jetzt möchte ich Ihnen zeigen, wie nützlich dieser Begriff ist, wenn Sie technische Systeme gestalten wollen. Der Begriff der Funktion lässt sich nämlich auf unterschiedlichen Betrachtungsebenen mit jeweils zunehmendem Detaillierungsgrad anwenden. Ich möchte Ihnen das am Beispiel eines elektrischen Rasenmähers zeigen. Der Rasenmäher soll ein Kabel haben (keinen Akku) und soll vom Menschen geschoben werden (kein Fahrantrieb).

1. Betrachtungsebene

Auf der obersten Ebene ist das gesamte System eine einzige »Blackbox« und wir betrachten nur die Gesamtfunktion. Wir kümmern uns auf dieser Ebene noch gar nicht darum, wie das System aussehen soll oder welche Teile es enthält, sondern legen erst einmal nur fest, welche Gesamtfunktion wir eigentlich haben möchten. Das Ergebnis kann zum Beispiel so aussehen, wie es in Abbildung 2.2 dargestellt ist.

Abbildung 2.2: Funktionsbeschreibung Rasenmäher (1. Betrachtungsebene)

2. Betrachtungsebene

Nun beginnen wir, die Gesamtfunktion in Teilfunktionen zu zerlegen. Als erster Detaillierungsschritt kann zum Beispiel eine Darstellung wie in Abbildung 2.3 herauskommen.

Abbildung 2.3: Funktionsbeschreibung Rasenmäher (2. Betrachtungsebene)

Der Vorteil des Denkens in Funktionen ist, dass wir uns nicht zu früh auf eine bestimmte Gestaltung oder ein bestimmtes Lösungsprinzip festlegen, sondern so lange wie möglich offen für alternative Lösungen bleiben (die vielleicht besser sind als die zunächst naheliegende). Wir können nun für eine Teilfunktion nach der anderen nach geeigneten Lösungen suchen und jeweils überlegen, ob die einzelne Teilfunktion besser oder schlechter erfüllt wird.

3. / 4. … / X. Betrachtungsebene

Solange es für uns hilfreich ist, können wir vorhandene Funktionen weiter in kleinere Teilfunktionen untergliedern. So können mehrere weitere Betrachtungsebenen entstehen. Irgendwann erreichen wir einen Detaillierungsgrad, auf dem wir die Funktionen nicht mehr sinnvoll weiter zerlegen können. Wir sind dann bei den Elementarfunktionen angelangt. Ein Beispiel für diesen ultimativen Detaillierungsgrad sehen Sie in Abbildung 2.4. Dort ist nur noch die Aufgliederung der Teilfunktion »Messer rotieren lassen« dargestellt.

Abbildung 2.4: Funktionsbeschreibung Rasenmäher (X. Betrachtungsebene)

Wenn wir an diesem Punkt angekommen sind, können wir nun die realen Maschinenelemente auswählen, die jeweils eine oder auch mehrere der Elementarfunktionen erfüllen. Für das Beispiel aus Abbildung 2.4 könnte die Entscheidung zum Beispiel so ausfallen:

Die Elementarfunktion E1 wird erfüllt durch das Maschinenelement Schraube.

Die Elementarfunktion E2 wird erfüllt durch das Maschinenelement Kugellager.

Die Elementarfunktion E3 wird erfüllt durch das Maschinenelement Elektromotor.

Vielleicht denken Sie jetzt, dass dieser Aufwand bei der Funktionsbeschreibung eines Rasenmähers nicht unbedingt nötig gewesen wäre. Dann stellen Sie sich bitte vor, Sie müssen ein System gestalten, das für Sie neu und unbekannt ist, vielleicht eine Zentrifuge zur Trennung von Blutplasma? In dem Fall wäre eine saubere Beschreibung der Teilfunktionen sicherlich sehr hilfreich.

Eine funktionsorientierte Ordnungsstruktur der Maschinenelemente

Wir befinden uns in einem Buch über Maschinenelemente und auf den vorausgegangenen Seiten habe ich Ihnen so viel über den Begriff der Funktion erläutert. Das soll sich jetzt nochmals gelohnt haben, denn nun schlage ich Ihnen vor, die technische Funktion auch als Ordnungskriterium zu benutzen, um die Fülle unterschiedlicher Maschinenelemente übersichtlich und nachvollziehbar zu ordnen. Dazu möchte ich vier Hauptfunktionen festlegen, zu denen sich alle in diesem Buch behandelten Maschinenelemente eindeutig zuordnen lassen:

Teile verbinden

Bewegungen abstützen

Zwischenräume abdichten

Bewegungsformen umwandeln

Unterhalb dieser Hauptfunktionen folgen weitere Gliederungsebenen, die das physikalische Wirkprinzip der Elemente beschreiben. Das sind alternative Möglichkeiten, um dieselbe Hauptfunktion zu erfüllen. Insgesamt ergibt das die in Tabelle 2.2 dargestellte Ordnungsstruktur.

Hauptfunktion

Physikalisches Wirkprinzip zur Erfüllung der Hauptfunktion

Bezeichnung des Maschinenelements

Kapitel in diesem Buch

Teile verbinden

Kapitel 3

reibschlüssige Verbindungen

Schraubenverbindungen

Pressverbindungen

Kapitel 4

formschlüssige Verbindungen

Stiftverbindungen

Nut-Feder-Verbindungen

Profilverbindungen

Nietverbindungen

Kapitel 5

stoffschlüssige Verbindungen

Schweißverbindungen

Lötverbindungen

Klebeverbindungen

Kapitel 6

elastische Verbindungen: Federn

Metallfedern

Nichtmetallfedern

Kapitel 7

Bewegungen abstützen

Kapitel 8

Gleitlager und Gleitführungen

hydrodynamische Lager und Führungen

hydrostatische Lager und Führungen

aerostatische Lager und Führungen

feststoffgeschmierte Lager und Führungen

elektromagnetische Lager und Führungen

Kapitel 9

Wälzlager und Wälzführungen

Wälzlager und Wälzführungen mit Punktkontakt

Wälzlager und Wälzführungen mit Linienkontakt

Kapitel 10

Zwischenräume abdichten

berührende Dichtungen

berührungslose Dichtungen

Kapitel 12

Bewegungsformen umwandeln

Kapitel 13

Rädergetriebe: gleichförmige Übersetzung von Drehbewegungen ohne Zwischenelement

Zahnradgetriebe: formschlüssige Räder

Stirnradgetriebe: Wellen parallel

Kegelradgetriebe: Wellen schneiden sich

Schraubenradgetriebe: Wellen sind windschief

Kapitel 14

Reibradgetriebe: reibschlüssige Räder

Reibradgetriebe mit konstanter Übersetzung

Reibradgetriebe mit stufenlos veränderlicher Übersetzung

Zugmittelgetriebe: gleichförmige Übersetzung von Drehbewegungen mit Zwischenelement

formschlüssige Zugmittel

Kettengetriebe

Zahnriemengetriebe

Kapitel 15

reibschlüssige Zugmittel

Flachriemengetriebe

Keilriemengetriebe

Hubgetriebe: Umwandlung von Drehbewegung in Linearbewegung

Spindel-Hubgetriebe

Zahnstangen-Hubgetriebe

Zugmittel-Hubgetriebe

Schubketten-Hubgetriebe

Kapitel 16

Kupplungen und Bremsen

nichtschaltbare starre Kupplungen

nichtschaltbare nachgiebige Kupplungen

schaltbare Kupplungen

Kapitel 17

Tabelle 2.2: Ordnungsstruktur der Maschinenelemente

Diese Ordnungsstruktur soll keine vollständige Aufzählung aller denkbaren Maschinenelemente sein! So etwas kann ich Ihnen leider nicht bieten. Einige weitere Kandidaten, die man je nach Sichtweise auch als Maschinenelemente bezeichnen könnte, wären zum Beispiel Achsen, Wellen, Rohrleitungen und Druckbehälter. Bei diesen ist jedoch der Grad der Standardisierung geringer. Sie werden wesentlich individueller für die jeweilige Anwendung gestaltet. Daher habe ich sie nicht zu den Maschinenelementen im engeren Sinn gerechnet.

Teil II

Maschinenelemente zum Verbinden

IN DIESEM TEIL …

erfahren Sie, mit welchen Maschinenelementen Sie mehrere einzelne Körper zu einer festen Einheit verbinden können. Verbindungselemente spielen eine wichtige Rolle beim Aufbau von Maschinen, denn durch sie entstehen aus getrennt hergestellten Körpern komplette Einheiten, die dann vorgegebene Funktionsumfänge in der Maschine übernehmen.

Manche Verbindungen können, wenn sie einmal hergestellt wurden, nicht mehr mit einfachen Mitteln gelöst werden. Andere Verbindungen dagegen erlauben es, die Körper auf einfache Weise wieder voneinander zu lösen und immer wieder neu zu verbinden.

Der Teil II beginnt mit dem einleitenden Kapitel 3, das vier verschiedene Grundprinzipien vorstellt, nach denen Verbindungen funktionieren können. Anschließend werden alle gebräuchlichen Verbindungselemente des Maschinenbaus behandelt, und zwar gegliedert nach den vier Grundprinzipien – nämlich die reibschlüssigen Verbindungen (Kapitel 4), die formschlüssigen Verbindungen (Kapitel 5), die stoffschlüssigen Verbindungen (Kapitel 6) und schließlich die elastischen Verbindungen (Kapitel 7).

Kapitel 3

Arten von Verbindungen – ein erster Überblick

IN DIESEM KAPITEL

Welche Rolle Verbindungselemente beim Aufbau einer Maschine

spielen.

Welche unterschiedlichen Anforderungen je nach Einsatzfall an ein Verbindungselement

gestellt werden.

Welche Grundprinzipien es gibt, um eine Verbindung herzustellen.

Lassen Sie mich mit der Definition für den Begriff »Maschine« beginnen, die ich in Kapitel 1 gegeben habe:

Eine Maschine ist eine Einrichtung mit mehreren mechanischen Einheiten, die sich relativ zueinander in gewünschter Weise bewegen. Bei dieser Bewegung wird Energie umgesetzt.