Grundlagen Konstruktion

Inhaltsverzeichnis: Stand:

24.04.2001

1. Toleranzen 2

1.1. Unterscheidung 2

1.2. Grundlagen

nach

ISO 2

1.3. Toleranzfeldgröße (ISO ­ Qualität) 2

1.4.

Toleranzfeldlage (nach ISO) 2

1.5. Toleranzfeldanalyse 3

2. Passungen 3

2.1. Unterscheidung 3

2.2.

Grundlagen der ISO-Paßsysteme 3

2.3. Passungsanalyse 3

Zeichnungsangabe 3

3.

Maß ­ und Toleranzketten 4

3.1. Grundsätze 4

4.

Achsen und Wellen 5

5. Verbindungselemente 5

5.1. Formschlüssige

Verbindungen 5

5.1.1. Nietverbindungen: 5

5.1.2. Stift-

und

Keilverbindungen 5

5.1.3.

Feder- und Profilwellenverbindungen 5

5.1.4. Spreizverbindungen 6

5.2. Kraftschlüssige

Verbindungen 6

5.2.1. Pressverbindungen 6

5.2.2. Schraubverbindungen 6

5.2.3. Klemmverbindungen 6

6. Kupplungen 6

6.1. Allgemeine

Betrachtung 6

6.2. Ausgleichskupplungen 7

6.3. Schaltkupplungen 7

6.3.1. Schaltbare

Kupplungen 7

6.3.2. Selbstschaltende

Kupplungen 7

Angaben ohne Gewähr JW`99

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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

Bezeichnung Zeichen

Bspl. Erläuterung

Nennmaß N

0,50

Bezugsmaß

(theoretisches

Maß)

Paßmaß P

0,50+0,03-0,02

Toleriertes Maß

Istmaß

I

0,51

Maß des fertigen Teiles

zwischen Größt- und

Kleinstmaß

Abmaße, oberes

e (E)

0,03

Zulässige Abmaße von N

es (ES)

ei(EI)

Ist

eist (Eist)

e ­ für Außenmaß (z.B. Wellen), E für Innenmaß (z.B. Bohrungen)

Wichtige Beziehungen:

ES, es = G - N, EI, ei = K ­ N, T = G ­ K = ES ­ EI = es ­ ei

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*qs, IT8 = IT6*q²s 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

---

Einschränkungen:

27 Lagen und 20 IT ­ Qualitäten Æ 540 verschiedene Toleranzklassen

(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

-0,048

6 d9 = 6,000-0,03-0,06

6 d10 = 6,000-0,03-0,078

zu b) gleiche Zahlen, bedeuten gleichgroße Toleranzfelder, aber unterschiedlicher Abstand von

Nullinie

6 f8 = 6,000-0,01-0,028

6 e8 = 6,000-0,02-0,038

6d8 = 6,000-0,03-0,048

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

Beispiel: Passung

5 F8h7

ges.:

Nennmaß, Paßsystem, Passungscharakter, Größt- und Kleinstwert

Lsg.:

Nennmaß:

5

mm

Paßsystem:

EW

h7

Passungscharakter:

Spielpassung, da F im Alphabet unter h liegt

Größt-

/Kleinstwerte:

SG = GB - KW = 5,028 ­ 4,988 = 40 µm

SK = KB - GW = 5,010 ­ 5,000 = 10 µm

Mittleres

Spiel:

SM = ½(SG + SK) = 25 µm

Toleranz: T

=

SG - SK = 30 µm

Kontrolle:

T

=

TW + TB = (Gw ­ Kw) + (GB - KB) = 18 + 12 = 30 µm

2.4. Zeichnungsangabe

Toleranzen nicht mit Körperkanten

darstellen, sondern Toleranzen gehen

aus Beschriftzung hervor

5 F8

h7

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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

To/2

ES

EI

ECo

Go

Ko

Co

No

Kürzel Beschreibung Berechnungsvorschrift

Go

Größtwert des Endmaßes

(i) Gi - (i) Ki

Ko

Kleinstwert des Endmaßes

(i) Ki - (i) Gi

Co Toleranzmittelmaß

-1/k*(i) Ci*ki

Eco Toleranzmittenabmaß

EI

Unteres Abmaß

Go ­ No ­ To

ES

Oberes Abmaß

Go ­ No

No Nennmaß

-1/k*(i) Ni*ki

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

Sind Konstruktionselemente, die Gewichtskräfte rotierender Körper in Lagern aufnehmen

Unterschiede zw. Achsen und Wellen

Achsen Wellen

Beanspruchung auf Biegung, Zug

Biegung, Zug, Druck und Torsion

und Druck

Im Umlauf oder Stillstand

Immer Umlaufend

Gerade

Gerade, gekröpft und biegsam

ausgeführt

Biegespannung = Biegemoment/Widerstandsmoment

Widerstandsmoment für Stahl: pi/32*d³

Æ d = (max. Biegemoment/(pi/32*überschlägliche Spannung))^(1/3)

... Anstrengungsfaktor für ruhende, schwellende oder Wechselnde Belastung

5. Verbindungselemente

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

der Wellen

· Ausgleichskupplungen:

bei Axial-, Radial- oder Winkelabweichungen, bei

Verwendung von elastischen Elementen auch zur

Dämpfung

von

Drehschwingungen

·

Schaltkupplungen:

nur zeitweise Übertragung von Drehbewegungen

· Hülsen- und Schalenkupplungen :

nur für kleine Drehmomente

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· Scheibenkupplungen:

große Drehmomente, aber auch große Bauform, Übertragung durch

Reibung, Schrauben werden auf Zug beansprucht, Zugkraft Fz = 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:

Md = D*µ*i*F/(2*sin)

Mit D...mittlerer Scheibendurchmesser, F...Anpreßkraft, ...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

¾ Sicherung der Abtriebs- oder Antriebsseite eines Gerätes, Kupplung ist für max. Drehmoment

ausgelegt, Reibungskupplungen mit einstellbarem Nenndrehmoment, gleiche

Berechnungsvorschrift wie bei schaltbaren Kupplungen

·

Drehzahlabhängige Kupplung

¾ Herstellung oder Trennung der Wellenverbindung bei fallender oder steigender Drehzahl,

durch Ausnutzen der Fliehkraftänderung

¾ Für Motoren mit geringem Anlaufmoment, wo Last erst bei erreichen der Nenndrehzahl

hinzugeschaltet werden darf

¾ Unterscheidung Einschalt- oder Ausschaltkupplungen

¾ Kostruktive Gestaltung prizipiell aus 2 oder mehreren auf dem Umfang radial beweglichen

Fliehkörpern, die an rückstellenden Federn befestigt sind

Aus Kräfteverhältnis

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Æ Berechnung des Momentes:

MR = µ*Feff*r = µ*(Fz - Ff)*r Md

Mit Fz= m*rs*², Ff...Federkraft, r, rs... Kupplungsradien, i..Anzahl der

Fliehkörper

Æ Masse eines Fliehkörpers

m = (1/i*rs*²)*(Ff + Md/rµ)

· Drehrichtungsabhänige Kupplung

¾ Freilaufkupplung, Übertragung eines Momentes in nur eine Richtung, konstruktive Gestaltung

mit Zahnrichtsperren, oder Reibrichtsperren

K

Kupplungen

Ausgleichskupplungen 1

Dauerkupplung 1

Drehmomentabhängige 2

Drehrichtungsabhänige 2

Drehzahlabhängige 2

Feste Kupplungen 1

Kegelkupplungen 1

Lamellenkupplung 1

Schaltkupplungen 1

Selbsttätige Kupplungen 1

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Angaben ohne Gewähr JW`99

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