Grundlagen der Konstruktion

1. Toleranzen

− Bauteile nicht ideal herstellbar

− Für bestimmte Funktionen sind Toleranzen erwünscht – Gleitlager und Preßverbindungen

− International einheitliches ISO – System

− Tolenanzsystem für Einzelteile

− Paßsystem für Paarung von Innen- und Außenteilen

1.1. Unterscheidung

−

3 Arten von Toleranzen:

1. ISO – Toleranzen (nach DIN-ISO 286) z.B. ∅ 6 d 8 Æ Nennmaß, Lage des Toleranzfeldes und

Größe des Toleranzfeldes

2. Allgemeintoleranzen (Toleranzklasse „mittel“ im Zeichnungsschriftfeld)

3. Nichtgenormte Toleranzen z.B.: 60 -0,60

-0,3 (nur für grobe Fertigung, sonst meiden)

− Form- und Lagertoleranzen (nur bei hoher Genauigkeitsanforderung)

Oberflächenrauhheit (Mittelraufwert Ra√, gemittelte Rauhtiefe √Rz) −

− In Zeichnungen nie Maße ohne Toleranzen angeben

1.2. Grundlagen nach ISO

1.3. Toleranzfeldgröße (ISO – Qualität)

a) Grundsätze

1. Nennmaßbereiche nach R5 gestuft (N = 1..3/>3..6/>6..10/u.s.w)

2. Je Nennbereich 20 Grundtoleranzgrade (Qualitäten), ISO – Toleranzreihen IT01/IT0/IT1/.../IT18,

gestuft nach R5, wobei IT6 Bezugsqualität, also: IT7 = IT6*q s , IT8 = IT6*q² s u.s.w, z.B. h7 = IT7

3. Je Nennmaßbereich sind für jedes Maß Toleranzen einer Qualität gleich groß

b) Anwendungen

− IT 2..4 Endmaße

− IT 4..8 für Lehren und Präszisionstechnik

− IT 5..11 normaler Arbeitsbereich in ET und Feinwerktechnik

− IT 12..18 grobe Vorfertigung (Gießen)

! Toleriere nur so eng wie nötig, aber so grob wie möglich um die Fertigungskosten zu Senken !

1.4. Toleranzfeldlage (nach ISO)

− Bei Außenmaße kleine Buchstaben (a...z...cb)

− Bei Innenmaßen Großbuchstaben (A...Z...CB)

− Felder h, H liegen an Nullinie

27 Lagen und 20 IT – Qualitäten Æ 540 verschiedene Toleranzklassen Einschränkungen:

(unvertretbar) Deshalb in DIN-ISO-Normen Auswahlkriterien: für Innenmaße 10 bevorzugt, für Außenmaße 16 bevorzugt

1.5. Toleranzfeldanalyse

Bspl.: gesucht sind Größe und Lage der Toleranzfelder bei Nennmaß ∅ 6 mm für

a) d8, d9, d 10; b) f8, e8, d8 Lsg: Werte aus DIN-Normen Zu a) gleiche Buchstaben bedeuten gleicher Abstand von Nulllinie ∅6 d8 = 6,000 -0,03 ∅6 d10 = 6,000 -0,03 ∅6 d9 = 6,000 -0,03 -0,048 -0,06 -0,078

zu b) gleiche Zahlen, bedeuten gleichgroße Toleranzfelder, aber unterschiedlicher Abstand von Nullinie ∅6 f8 = 6,000 -0,01 ∅6 e8 = 6,000 -0,02 ∅6d8 = 6,000 -0,03 -0,028 -0,038 -0,048

2. Passungen

− Paarung von zwei toleranzbehafteten Teilen

2.1. Unterscheidung

1. Spielpassungen (Außenmaße < Innenmaße) Æ Spiel, Teile immer beweglich, z.B. Gleitlager

2. Übermaßpassungen / Preßpassungen (Außenmaße > Innenmaße), ÆÜbermaß Teile fest verbunden,

z.B. Preßverbindung

3. Übergangspassungen (abhängig von Istmaßen, kann Spiel und Übermaß entstehen, z.B.

Wälzlagerprassung)

2.2. Grundlagen der ISO-Paßsysteme

Bei Passungen sind zulässig:

1. Für Außenmaße nur IT 4..12 (Æ 9 zuläassige Qualitäten)

2. Für Innenmaße nur IT 5..12 (Æ 8 zulässige Qualitäten), schwierigere Bearbeitung von Bohrungen

im Gegensatz zur Bearbeitung von Wellen

Toleranzfeld eines Teils muß an Nulllinie liegen (h, H) Æ Damit entstehen 2 Paßsysteme −

1. Einheitswelle (EW): Alle Außenmaße nur mit Toleranzen h4 – h12 verwenden, Passungscharakter

durch Gegenstücktoleranz

2. Einheitsbohrung (EB): Alle Innenmaße nur mit H5 – H12

2.3. Passungsanalyse

Passung ∅ 5 F8 Beispiel:

h7 ges.: Nennmaß, Paßsystem, Passungscharakter, Größt- und Kleinstwert Lsg.: Nennmaß: 5 mm

Paßsystem: EW h7 Passungscharakter: Spielpassung, da F im Alphabet unter h liegt S G = G B - K W = 5,028 – 4,988 = 40 µm Größt- /Kleinstwerte:

S K = K B - G W = 5,010 – 5,000 = 10 µm S M = ½(S G + S K ) = 25 µm Mittleres Spiel:

T = S G - S K = 30 µm Toleranz:

T = T W + T B = (G w – K w ) + (G B - K B ) = 18 + 12 = 30 µm Kontrolle:

2.4. Zeichnungsangabe

Toleranzen nicht mit Körperkanten darstellen, sondern Toleranzen gehen aus Beschriftzung hervor

3. Maß – und Toleranzketten Vermeidung von Kettenmaßen Æ Bemaßung Funktionswichtiger Körperkanten von (gedachter) Maß- − Bezugslinie aus − Toleranzüberlagerungen vermeiden Oft jedoch Aneinanderreihung von Maßen gegeben Æ Da alle Maße toleriert sind, ergeben sich − Maßketten Æ Toleranzketten

3.1. Grundsätze

− Betrachtung von Minimum - Maximum – Methode

1. Satz: Nennmaß des Schlußgliedes ist Summe der Nennmaße aller Glieder, Schlußtoleranz ist Summe

der Einzeltoleranzen

2. Satz: Toleranz To für Schlußmaß (Mo) liegt symmetrisch zu Toleranzmittenmaß (Co)

Mo = Co ± To/2

K = ± 1 (Richtungskoeffizient)

3. Satz: Größtmaß Go von Mo ist Summe der Größtmaße der pos. Glieder minus die Summer der

Kleinstmaße der negativen Glieder, Kleinstmaß Ko analog umgekehrt Go = No + Eco + To/2 Ko = No + Eco – To/2 To = Go – Ko 3.Satz dient zur Kontrolle von Satz 2

4. Satz: Maß- und Toleranzketten bilden einen geschlossenen Linienzug, wobei der Anfangspunkt frei

wählbar ist Mo ist das von Mi abhängige Maß. Mo kann gegeben oder gesucht sein, deshalb immer erst Mo markieren

Bemerkung zu Toleranz- und Passungsgerechtes Gestalten: − Enge Passungen sichern zwar Funktion, aber nicht Ökonomie der Fertigung − Vermeide enge Passungen (durch federnde Elemente oder durch justieren) − Vermeide mehrfache Paßstellen

4. Achsen und Wellen

5.1. Formschlüssige Verbindungen

Unlösbare Verbindung durch mechanisch bearbeitete oder plastisch verformte Mitnehmer

- Ermöglicht Übertragung großer Momente

- Einteilung: Zylinderstifte, Kerb- und Spannfedern, Kegelstifte, Paßfedern

- Auftretende Belastungen: Scherspannung, Flächenpressung

-

5.1.1. Nietverbindungen:

Form- und kraftschlüssige Verbindung, zum Verbinden von Bauteilen vor allem in Blechverarbeitung

- Beanspruchung: Reibung (vernachlässigbar), Flächenpressung, Abscherung zwischen Niete

- und Lochwandung Kraftaufteilung durch Erhöhung der Nietzahl

- Formschlußsicherung bei Drehmomentenbelastung

-

-

5.1.2. Stift- und Keilverbindungen

Teilweise lösbare form- und Kraftschlußverbindungen

- Formschluß durch Eingreifen eines Stiftes oder Keils in die zu verbindenden Bauteile, Stift- und

- Keilachse senkrecht zu Kraftwirkung, Kraftschluß durch Übermaß eines zylindrischen Stiftes gegeüber Bohrung (Einpressverbindung) oder kegelige Form des Stiftes (Keilverbindung) Zylinderstifte (Bolzen) zur gelenkigen Verbindung und Kraftbegrenzung (Sollbruchstellen) eingesetzt

- Stifte mit kleinem Durchmesser als Sicherungs-, Verbindungs- und Befestigungsstifte verwendet

- Kegelstifte: Spielfreie aber leicht lösbare Verbindung, Lagesicherung von Teilen – aber nicht

- rüttelsicher Beanspruchung: Abscherung (zweischnittige Verbindung, da an 2 Stellen beansprucht),

- Flächenpressung Stiftverschiebungen durch Splinte verhindern

-

5.1.3. Feder- und Profilwellenverbindungen

Lösbare formschlüssige Verbindungen zwischen Wellen und Naben, dient der Übertragung großer

- Drehmomente Profilwellen mit unterschiedlichen Profilformen verhindert verrutschen

-

5.1.4. Spreizverbindungen

Formschlüssige Verbindung, die durch Verformung eines Bauteils entsteht und je nach

- Verformungsgrad lösbar oder nichtlösbar ist Lösbare Verbindungen durch Einspreizelemente, Sprengringe und Sicherungsringe

-

5.2. Kraftschlüssige Verbindungen

5.2.1. Pressverbindungen

Preßverbindungen beruhen auf Reibung zwischen den Verbindungspartnern infolge von

- Flächenpressung Flächenpressung durch plastische oder elastische Verformung aufgrund von Übermaß der Bauteile

- zueinander Einpreßverbindungen durch Rändelung des härteren Elements verhindert Bewegung der Elemente

- zueinander, bedingt lösbar

5.2.2. Schraubverbindungen

lösbare Verbindung, beruht auf Kraftschluß infolge der Keilwirkung des Gewindes

- Befestigungsschrauben: lösbare Verbindung von Teilen, unbedingt gegen lockern sichern, durch

- Federring oder Gegenmutter, kleine Steigung der Gewinde, dürfen sich bei Einwirken einer Längskraft nicht lösen Æ selbstsperrend, geringer

Steigungswinkel des Gewindes

Bewegungsschrauben: Umformung von Dreh- in Längsbewegungen, große Gewindesteigung

- (Zahnstangengetriebe, Schraubengetriebe, Wälzschraubengetriebe, Gleitschraubengetriebe, Zugmittelgetriebe) Schraubenverbindungen können unmittelbar und mittelbar realisiert werden

- Unmittelbar – eines der zu befestigenden Bleche wird mit einem Innengewinde versehen

- Mittelbar – Schraube + Mutter

- Beanspruchung: Zugbeanspruchung, Flächenpressung, Abscherung der Gewindegänge,

- Sicherung der Schraubenverbindung gegen Lösen:

- Bei veränderlicher Belastung notwendig (Temperaturänderungen, Erschütterung), Sicherung kann kraft-, form- oder stoffschlüssig erfolgen, Einfachstes Mittel: Gegenmutter, aber relativ große Bauhöhe und nicht ausreichende Rüttelsicherheit, deshalb sicherheitselemente wie Federring, Zahn- und Fächerscheiben

5.2.3. Klemmverbindungen

Mittelbar und lösbare Verbindung von Bauteilen, Kraftschluß durch zusätzlicheKlemmelemente,

- Exzenter und Schrauben in Verbindung mit Keilen,

- u.a. Zur Befestigung von Elementen auf Wellen

-

6. Kupplungen

6.1. Allgemeine Betrachtung

• Dauerkupplungen:

während des Betriebes nicht lösbar

• Feste Kupplungen:

erleichtern Montage von Baugruppen, erfordern exaktes Fluchten d e r W e l l e n

• Ausgleichskupplungen:

bei Axial-, Radial- oder Winkelabweichungen, bei Verwendung von elastischen Elementen auch zur

Dämpfung von

• Schaltkupplungen:

nur zeitweise Übertragung von Drehbewegungen

• Hülsen- und Schalenkupplungen : nur für kleine Drehmomente

• Scheibenkupplungen: große Drehmomente, aber auch große Bauform, Übertragung durch Reibung, Schrauben werden auf Zug beansprucht, Zugkraft F z = 2Md/(z*D*µ) mit z...Anzahl Schrauben, D...Durchmesser Scheibe, µ...Reibwert, Verwendung bei großen Axialkräften und Biegemomenten

• Selbsttätige Kupplungen:

Fliehkraftkupplungen, Freilaufkupplungen

6.2. Ausgleichskupplungen

• Fertigungs-, montage und funktionsbedingte Lagerabweichungen der Wellen können ausgeglichen werden

• Kupplungen mit Axialem Ausgleich – Übertragung durch Formschluß, ebenfalls Unterteilung in Scheiben- und Hülsenkupplungen Scheibenkupplungen: Berechnung der Mitnehmer auf Biegung und Flächenpressung

• Kupplungen mit radialem Ausgleich – querbewegliche Kupplung, Versetzung oder Gefahr der V. während des Betriebs, elastischer Kunststoffschlauch bei kleinen Momenten Æ großer Verschleiß

• Winkelbewegliche Kupplungen – Ausgleich von Winkelabweichungen (Gelenkkupplungen)

• Drehelastische Kupplungen – könne Stöße und Schwingungen mindern

6.3. Schaltkupplungen

6.3.1. Schaltbare Kupplungen

• Erforderlich um funktionsbedingt die Übertragung von Drehbewegungen zu unterbrechen

• Wellen werden durch Form- und Kraftpaarungen verbunden Æ Erzeugen der Andruckkraft erfolg von außen

• Schaltung der Kupplung nur im Stillstand oder im Gleichlauf

• Kraftpaarung erfolgt durch Reibung, wobei Reibflächen Zylindermäntel, Scheiben und Kegelmäntel sind

• Mit Kegelkupplungen aufgrund der Reibflächenform größere Momente übertragbar, Vorteile: kleine Flächenpressung, gute Wärmeabfuhrund selbstständige Zentrierung

• Lamellenkupplung: Vervielfachung der Reibflächen durch Lamellen, wartungsfrei und raumsparende Bauweise Æ Einsatz innerhalb von Maschinen und Getrieben, Berechnung übertragenes Moment durch Reibungskraft:

M d = D*µ*i*F/(2*sinα) Mit D...mittlerer Scheibendurchmesser, F...Anpreßkraft, α...Neigungswinkel des Kegels, i...Anzahl der Reibpaarungen

• VORSICHT! Bei Dimensionierung darf zulässige Flächenpressung nicht überschritten werden

6.3.2. Selbstschaltende Kupplungen

• Schaltvorgang wird durch Änderung der Betriebsverhältisse ausgelöst, abhängig z.B. von Drehzahl, Richtung, Drehwinkel, Drehmoment

• Drehmomentabhängige Kupplung ¾¾Sicherung der Abtriebs- oder Antriebsseite eines Gerätes, Kupplung ist für max. Drehmoment ausgelegt, Reibungskupplungen mit einstellbarem Nenndrehmoment, gleiche Berechnungsvorschrift wie bei schaltbaren Kupplungen

• Drehzahlabhängige Kupplung ¾¾Herstellung oder Trennung der Wellenverbindung bei fallender oder steigender Drehzahl, durch Ausnutzen der Fliehkraftänderung ¾¾Für Motoren mit geringem Anlaufmoment, wo Last erst bei erreichen der Nenndrehzahl hinzugeschaltet werden darf ¾¾Unterscheidung Einschalt- oder Ausschaltkupplungen ¾¾Kostruktive Gestaltung prizipiell aus 2 oder mehreren auf dem Umfang radial beweglichen Fliehkörpern, die an rückstellenden Federn befestigt sind Aus Kräfteverhältnis

Æ Berechnung des Momentes: M R = µ*F eff *r = µ*(F z - F f )*r ≥ M d

Mit F z = m*r s *ω², F f ...Federkraft, r, r s ... Kupplungsradien, i..Anzahl der Fliehkörper

Æ Masse eines Fliehkörpers

m = (1/i*r s *ω²)*(F f + M d /rµ)

• Drehrichtungsabhänige Kupplung ¾¾Freilaufkupplung, Übertragung eines Momentes in nur eine Richtung, konstruktive Gestaltung

mit Zahnrichtsperren, oder Reibrichtsperren

K

Kupplungen

Angaben ohne Gewähr JW‘99