Skript ME 7 - Vorlesungsnotizen 7 PDF

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Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon

Vorlesung 7 - Maschinenelemente 1 3.4.3 Wellen

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon

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3.4.4 Achsen

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Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon Werkstoffe und Gestaltung von Wellen und Achsen Werkstoffe: • Allgemeine Baustähle (S275 JR, E295, E335,.....) • Einsatzgehärtete Stähle (16MnCr5, 20MnCr5, 42CrMo4.....) Herstellung: • Gerade Achsen und Wellen bis etwa 160 mm Durchmesser werden aus Rundstahl gedreht • Dickere und mehrfach abgesetzte Achsen und Wellen werden aus Schmiedeteilen spanend bearbeitet Gestaltung • Wird durch die Funktion und den auf der Achse bzw. Welle befindlichen Teile bestimmt • Wellenenden sind genormt •Zylindrische Wellenenden DIN 478 DIN 748 •Kegelige Wellenenden DIN 1448; DIN 14498

Dauerbruch – Beispiele

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon Angreifende Kräfte

Umlaufbiegung

(reine Wechselbeanspruchung)

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon Algorithmus zur Gestaltung von Achsen und Wellen

Prinzipielle Biegemomentverläufe

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Normal- und Tangentialspannungen

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon Bestimmen des Wellendurchmessers

Formzahlen

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Abgesetzter Rundstab

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon Nachrechnen auf Kerbwirkung

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Gelenkwelle / Biegsame Welle Gelenkwellen werden eingesetzt, wenn flexible Kupplungen nicht mehr ausreichen oder sehr große Leistungen übertragen werden müssen. Im Maschinen- und Anlagenbau finden Gelenkwellen durch die fortschreitende Automatisierung zunehmende Bedeutung. Ein wichtiges Konstruktionsmerkmal dieser Achsverbindungen sind die jeweiligen Ausgleichselemente – Metallbalg/Elastomerkranz – an den Enden der längenvariablen Zwischenrohre. Der Elastomerkranz aus Polyurethan wird in verschiedenen Shorehärten angeboten. Je nach Belastung aus dem Antrieb addieren sich neben der Schwingungsanregung auch Regelkreisfrequenzen und Unwucht auf. Besondere Beachtung muss bei der Auslegung von Gelenkwellen der Resonanzfrequenz geschenkt werden. Durch die Auswahlmöglichkeit von unterschiedlichen Elastomerhärten kann die Schwingungsbelastung beeinflusst und begrenzt werden. Die Zwischenrohre werden je nach Einsatzfall aus Aluminium, Stahl, Edelstahl oder auch aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CfK) ausgewählt.

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Biegsame Wellen werden verwendet, wenn das anzutreibende Element beweglich ist (z.B. handgeführte Geräte) und die Antriebsquelle nicht mitbewegt werden kann oder soll, oder wenn (bei Schaltwellen oder Schraubendrehern) das zu bewegende Objekt nicht auf direktem Weg erreicht werden kann. Sie bestehen aus mehreren Lagen entgegengesetzt schraubenförmig umeinander gewundener Drähte (Wellensehne), die in einem Metall- oder Kunststoffschutzschlauch rotieren. Sie werden mit Fett geschmiert. Biegsame Wellen haben eine Vorzugsdrehrichtung, die von der Richtung der obersten Drahtlage abhängt. Bei entgegengesetzter Drehrichtung können nur etwa 40–70% der Leistung übertragen werden. Die Anschlussmaße sind in DIN 42995 genormt. Anwendungen: z.B. Feinmechanikergeräte und Zubringer für analoge Armaturen (Tachometer, Drehzahlmesser). Die Bohrer beim Zahnarzt werden inzwischen in der Regel pneumatisch – ohne flexible Welle – angetrieben, da so höhere Drehzahlen erreicht werden. Eingesetzt werden biegsame Wellen auch, wenn der Antrieb gegen das angetriebene Gerät einen festen, nicht beweglichen Winkelversatz hat, um diesen auszugleichen, besonders dann, wenn sich gegenüber einem Umlenkgetriebe oder einen Kreuzgelenk oder ähnlichem eine geringere Baugröße oder ein Kostenvorteil ergibt. Beispiele hierfür sind Motorsensen oder billige Dreieckschleifer.

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Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon Welle – Nabe – Verbindung

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Hirth-Verzahnung

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Stiftverbindungen

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Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon Geklebte Welle- Nabe- Verbindung

Geklebte Übermaßpassung

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon Klebgeschrumpfte Verbindung

Geklebte Keilwellen

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon 3.5 Dichtungen radial und axial

3.5.1 Dichtungen radial

Dichtungen sind eine weit differenzierte Klasse wichtiger Konstruktionselemente, für praktisch alle technischen Gebilde – von Autos genauso wie von Küchenmaschinen, Flugzeugen, verfahrens-technischen Anlagen oder Kraftwerken. Es gibt praktisch kein technisches Produkt, das ohne das Element „Dichtung“ auskommt. Allein in der dargestellten Abbildung, einer einfachen Pumpe gibt es über 20 Dichtstellen.

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Aufgabe, Einteilung, Prinzip, Funktion Eine Dichtung hat primär die Aufgabe, zwei funktionsmäßig verschiedene Räume so zu trennen, dass kein – oder nur ein zulässiger – Stoffaustausch zwischen ihnen stattfinden kann. Insbesondere dynamischen Dichtungen dürfen Zusatzaufgaben wie „führen“ oder „Kraft leiten“ nicht übertragen werden.

Einteilung der Dichtungen

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon

Realisierung einer berührenden Dichtung

Realisierung einer berührungsfreien Dichtung

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Prinzip dynamischer, berührender Dichtungen

Einteilung statischer Dichtungen

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon Flachdichtung

Ausführungsformen von Flachdichtungen

Flanschdichtung

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon Metallprofildichtung

Ausführungsformen für Metallprofildichtungen

Schneidring- Rohrverschraubung

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon Druckaktivierte Metalldichtungen

Konstruktionsbeispiel: Behälterverschluss

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon gebräuchliche Dichtungswerkstoffe

Einbau von O-Ringen

Varianten von Weichstoffdichtungen

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon Konstruktionsregeln Ausreichend vorpressen Der O-Ring-Querschnitt ( d) wird um 10-20 % zusammengepresst, indem die Nuttiefe t ent-sprechend um d geringer gehalten wird. Nutbreite Die Nutbreite b beträgt 130-140 % vom d. Oberflächenrauheit Die Oberflächenrauheit bei ruhender Abdichtung ist entsprechend nachfolgender Tabelle auszuführen; bei bewegter Abdichtung für die Kontaktfläche A mit ¼ der angegebenen Werte und die Nutwände B wie bei pulsierendem Druck. Extrusion vermeiden Bei hohem Druck p wird das O-Ring-Material in den niederdruckseitigen Gehäusespalt s gepresst und dort gegebenenfalls abgequetscht. Um dies zu vermeiden ist der Gehäusespalt genügend eng und die Konstruktion ausreichend steif zu gestalten, damit der Spalt s nicht durch den Druck aufgeweitet wird. Beispielsweise ist bei einem O-Ring der Härte 70 ShA bis 8 MPa bei Raumtemperatur noch ein Gehäusespalt von s = 0,2 mm zulässig. Kann der Spalt nicht genügend eng ausgeführt werden sind zusätzlich Stützringe aus einem härteren Kunststoff zu verwenden. Montageschäden O-Ringe dürfen nicht unter Pressung über scharfe Kanten gezogen werden. Entsprechend sind bei radial eingebauten O-Ringen Einfahrschrägen von ca. 15° vorzusehen und Bohrungen in eine Nut zurückzusetzen. Dicke O-Ringe Wegen der Maßtoleranzen der Schnurdicke d und der Nuttiefe t und wegen der Vorspannungsänderung durch Relaxation des Elastomers sind die größeren Schnurdicken zu bevorzugen. Haftreibung Bei radial vorgepressten O-Ringen muss bei der Demontage die Haftreibkraft Fy überwunden werden. Sie lässt sich nach der Beziehung abschätzen. Wobei sich Fy in Newton ergibt wenn D und d in Millimeter eingesetzt werden.

Geeignetes Elastomer verwenden Das Elastomer muss seine Elastizität behalten und darf weder zuviel quellen noch schrumpfen. Deshalb muss für das abzudichtende Fluid bzw. für die auftretende Temperatur ein geeignetes Elastomer verwendet werden. Dies ist extrem wichtig und wird trotzdem häufig missachtet. Beispielsweise ist NBR gegen Benzin beständig nicht aber gegen Bremsflüssigkeit. Dahingegen ist EPDM gegen Bremsflüssigkeit nicht aber gegen Benzin beständig. Dichtungen für die Bremsanlage versagen also im Kraftstoffbereich und umgekehrt. Das Problem des beständigen Materials stellt

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sich nicht nur bei O-Ringen, sondern bei allen Dichtungen und anderen Bauteilen aus Elastomeren oder Kunststoffen. Die Hersteller führen Beständigkeitslisten (Datenbanken).

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon Druckverformungsrest DVR Der Druckverformungsrest (DVR) ist ein Maß dafür, wie sich Elastomere bei lang andauernder, konstanter Druckverformung und anschließender Entspannung verhalten Nach DIN 53517 bzw. DIN ISO 815 oder ASTM D 395 wird der Druckverformungsrest (DVR) bei konstanter Verformung gemessen. Dieser stellt den Verformungsanteil des Testmaterials dar. Viele Testverfahren für Elastomere, wie z.B. die Zugfestigkeit charakterisieren die Qualität und Beschaffenheit des Materials. Der DVR hingegen ist ein wichtiger Faktor, der vor Einsatz eines Materials für einen bestimmten Einsatzzweck beachtet werden muss. Besonders für den Einsatz von Dichtungen und Unterlegplatten aus Elastomeren ist die bleibende Verformung, der Druckverformungsrest (DVR) eine wichtige Kenngröße. Zur Bestimmung dieser Größe wird ein zylindrischer Prüfkörper um 25% zusammengedrückt und bei bestimmter Temperatur eine gewisse Zeit so gelagert. Die Temperatur für den Druckverformungstest hängt von dem zu testenden Material, seinem geplanten Einsatzzweck und dem Versuchsaufbau ab (z. B. 24 h bei 70°C für ein EPDM-Profil im Bautenschutz). 30 Minuten nach der Entlastung wird bei Raumtemperatur wieder die Höhe gemessen und daraus die bleibende Verformung ermittelt. Ein DVR von 0% bedeutet, dass der Körper seine ursprüngliche Dicke wieder voll erreicht hat (in der Realität unmöglich), ein DVR von 100% sagt, dass der Körper während des Versuchs völlig verformt wurde und keine Rückstellung zeigt. Die Berechnung erfolgt nach folgender Formel: DVR (%) = ( L0 - L2 ) / ( L0 - L1 ) x 100 % DVR = Druckverformungsrest in % L0 = Höhe des Probekörpers vor der Prüfung L1 = Höhe des Probekörpers während der Prüfung (Distanzstück) L2 = Höhe des Probekörpers nach der Prüfung

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Anwendungsbeispiel: Beispielsweise wird eine Flanschdichtung bei der Montage auf eine bestimmte Dicke zusammengepresst und übt eine Pressung auf die Flanschflächen aus. Im Laufe der Zeit nimmt diese Pressung ab, da sich der Gummi plastisch verformt. Ist dieser plastische Anteil - also der DVR - zu groß, lässt die Presskraft und damit die Dichtwirkung so stark nach, dass Undichtigkeiten auftreten (diese können vollflächig aber auch abschnittsweise auftreten), vor allem dann, wenn sie zu „knapp“ ausgelegt ist. Der DVR, bei Flachdichtungen, sollte bei der Dauereinsatztemperatur einen Wert von ca. 40% nicht überschreiten. Membrandichtung

Membranvarianten

Balgdichtung mit Varianten

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon Filzringe als Schutzdichtung

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon Radial-Wellendichtringe

Bauformen nach DIN 3760/3761

Druckbelastbare Radialwellendichtungen

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon Radial- Wellendichtring- Varianten

Einsatzgrenzen von RWDR

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon Konstruktive Randbedingungen

D: Montagefase: 15-20° F: Aufnahmebohrung: H8; Ra = 1,6-6,3 m A: Gegenlauffläche: A gegen Lagerinnendurchmesser B absetzen (mindestens 0,2 mm), wegen Kratzern bei der Lagermontage; h11, Ra = 0,2-0,8 m, drallfrei bearbeitet C: Einfahrschräge: 15-25°, Kanten gerundet E: Welle: E kleiner als A – möglichst so, dass Dichtring bei Montage nicht streift. Sonst wenn E strukturiert (Gewinde, Verzahnung, Nut....) Montagehülse verwenden - drei Abdrückbohrungen am Umfang zur Demontage des Dichtrings anbringen - Sekundärabdichtung nicht vergessen

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon Gleitringdichtungen

Varianten

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3.5.2 Dichtungen axial Beispiel Hydraulikzylinder

Stangendichtungen

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Moderne Kolbendichtungen

Abstreifer

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon Elastomer-Pneumatikdichtungen

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon Berührungsfreie Dichtungen Vorteile: • keine Reibung oder nur Flüssigkeitsreibung bei relativ großer Spalthöhe • keine Schmierung notwendig, dadurch keine Einschränkung bezüglich Schmierstoff und zulässiger Schmierstofftemperatur, keine Schmierungskosten, keine Verunreinigung des Betriebsmittels und keine Wartung • kein Heißlaufen • kein Verschleiß • keine Veränderung der Dichtwirkung • kein Nachstellen notwendig • kein Wärmeaustausch durch Wärmeleitung zwischen den Teilen • keine Temperaturbeschränkung • keine Beschränkung der Relativgeschwindigkeit • keine Werkstoffeinschränkung Nachteile: • meist nicht vollständig dicht • selten als handelsübliches Element erhältlich

Fachhochschule Südwestfalen Soest - FB Maschinenbau / EPM Maschinenelemente 1 - Dipl.-Ing. Thomas Salomon Fanglabyrinth - Dichtung...