Entwerfen und Gestalten im Maschinenbau

Vorwort Gerhard Hoenow, Thomas Meißner Entwerfen und Gestalten im Maschinenbau Bauteile - Baugruppen - Maschinen ISBN: 978-3-446-42214-8 Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-42214-8 sowie im Buchhandel. © Carl Hanser Verlag, München Vorwort Dieses Buch entstand aus dem wesentlichen Inhalt der langjährigen Lehrveranstaltung Gestaltungslehre für Maschinenbaustudenten der TU Dresden. An der seit 1991 bestehen- den Fachhochschule Lausitz in Senftenberg – Land Brandenburg – wurde diese Gestal- tungslehre mit der Berufung von Herrn Prof. Dr. Meißner seit 1994 in wesentlichen Teilen auch zum Inhalt der Lehre für die Grundlagen der Konstruktion. Hauptanliegen des Buches ist es, insbesondere den künftigen Konstrukteuren des Maschinenbaus und natürlich auch allen anderen Studierenden auf dem Gebiet des Maschinenbaus eine praxisgerechte Gestal- tungslehre zu vermitteln und damit eine Lücke zu schließen. Diese Lücke besteht darin, dass der hier behandelte Inhalt in der Maschinenelementeliteratur meist nur fragmentarisch enthalten ist, andererseits in der fertigungstechnischen Literatur vorrangig aus der Blick- richtung des Fertigungstechnikers dargestellt und damit den Bedürfnissen der Konstrukteu- re weniger angemessen ist. Die beiden Schwerpunkte des Buches stellen erstens das Gestal- ten unter Berücksichtigung der auf die Maschinenteile wirkenden Kräfte dar (Abschnitt 3) und zweitens das fertigungsgerechte Gestalten von der Teilefertigung (Abschnitt 4) bis zum Fügen und zur Baugruppenmontage (Abschnitt 5). Da es nicht möglich ist, in einem gut handhabbaren Buch die gesamte Palette der fertigungstechnischen Anforderungen zu be- handeln, wurde der Bereich der kleineren Fertigungsmengen (Einzel- und Kleinserienferti- gung) als Grundlage bevorzugt. Dem Leser wird empfohlen, sich mit dem ersten Durcharbeiten einen Überblick zu ver- schaffen, um das Buch dann beim Bearbeiten von konstruktiven Übungsaufgaben ständig heranzuziehen. Für den Konstrukteur im Bereich der oben genannten Fertigungsmengen wird es auch ein guter Begleiter in der betrieblichen Konstruktionspraxis sein. Insbesondere wird der Wert des Buches darin gesehen, bei der Herausbildung des beruflichen Erfah- rungsschatzes des Konstruktionseinsteigers eine systematische Hilfe zu leisten und das nicht allein den einsatzbedingten Zufällen zu überlassen. Die Verfasser möchten mit dem vorgelegten Buch zum Erfahrungsaustausch anregen und versichern hiermit, dass Hinweise und Vorschläge aufgeschlossen entgegengenommen werden. Das Buch wäre nicht entstanden ohne die intensiven Hinweise von Herrn Dr.-Ing. Bernd Platz – über viele Jahre Oberassistent des Verfassers Hoenow – und seine Bemerkungen über die weiter oben erwähnte Lücke in der Literatur für den Maschinenbaukonstrukteur. Dafür gebührt unserem Freund Bernd Platz besonderer Dank. Weiterhin haben mitgewirkt: Frau Dipl.-Ing. Ina Meißner beim Umsetzen umfangreicher handschriftlicher Aufzeichnungen, Frau Mandy Ehrlich beim Aufbereiten vieler Bilder, Herr Christian Schreiber beim Erstel- len zeichnerischer Darstellungen und das STUDIO WIR DRESDEN unter besonderer Mit- wirkung von Herrn Diplomfotografiker Andreas Meschke bei der Anfertigung vieler fotogra- fischer Abbildungen. Allen genannten Mitarbeitern sei hiermit herzlich gedankt. Nicht unerwähnt bleiben darf die freundschaftliche Unterstützung des Herrn Dr.-Ing. Harry Tho- nig der Firma Trumpf Sachsen GmbH. Ebenfalls sei Herrn Jochen Horn vom Fachbuch- verlag Leipzig im Carl Hanser Verlag für die gute Zusammenarbeit gedankt. Gerhard Hoenow Thomas Meißner Vorwort zur 3. Auflage Die vorangegangenen Auflagen dieses Buches sollten eine Lücke füllen, wie dem Vorwort zur ersten Auflage entnommen werden kann. Inwieweit ist dieses Vorhaben gelungen? Von den Lesern und Kollegen, die dem Verlag ihre Meinung mitgeteilt haben, gibt es ver- schiedene Auffassungen – wie sollte es auch anders sein. Die Mehrzahl der Urteile bestätigt vor allem den Lückenschluss, die zweckmäßige Eingrenzung des uferlosen Stoffes und die Praxisnähe. Hervorgehoben wird auch die Abhandlung des kraftgerechten Gestaltens (s. Abschnitt 3) als wichtiges Gebiet für den angehenden Konstrukteur. Damit werden bei kraft- beanspruchten Bauteilen bereits die ersten Entwurfsschritte richtig gelenkt, so dass die nach- folgenden Berechnungen lediglich für die genaue Dimensionierung erforderlich sind. Weiterhin wird festgestellt, dass viele gute und wichtige Beispiele benannt werden und die vielen Abbildungen (Skizzen, Zeichnungen, Fotografien) jedes Thema gut verständlich ma- chen. Gliederung, Inhalt und Regeln sind unkonventionell und originell. Sie stellen einen guten Beitrag für die Lehrbarkeit der konstruktiven Grundlagen für den Einsteiger dar und sind für den Fachmann und als Nachschlagewerk sinnvoll und zweckmäßig. Und wenn gar die Feststellung getroffen wird: „ ... für den Konstruktionsinteressierten liest es sich wie ein spannender Roman...“, dann dürfte die ursprüngliche Zielstellung im Wesentlichen erreicht sein. Gerhard Hoenow Thomas Meißner

Inhaltsverzeichnis Gerhard Hoenow, Thomas Meißner Entwerfen und Gestalten im Maschinenbau Bauteile - Baugruppen - Maschinen ISBN: 978-3-446-42214-8 Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-42214-8 sowie im Buchhandel. © Carl Hanser Verlag, München Inhaltsverzeichnis 1 Einführung..................................................................................................... 9 1.1 Was ist Gestalten, was ist Entwerfen? .......................................................... 9 1.2 Welche Voraussetzungen sollte der Leser mitbringen und was wird nicht behandelt?.................................................................................................... 11 1.3 Gestaltungseinflüsse und Gestaltungsschwerpunkte ................................... 13 1.4 Wo findet man Anregungen für gute Konstruktionen? ............................... 14 1.5 Analyse einfacher Konstruktionen .............................................................. 16 1.6 Konstruktionsanalyse – Lösungen............................................................... 20 2 Nicht gestalten, sondern kaufen......................................................26 3 Kraftgerechtes Gestalten - ein zentrales Anliegen........................27 3.1 Die Grundregeln des kraftgerechten Gestaltens steifer Maschinenteile ...... 28 3.2 Kraftgerechte Gussstückgestaltung ............................................................. 39 3.2.1 Lagerbockgestaltung, Einführung ................................................... 39 3.2.2 Geteilte Getriebegehäuse und das Flanschproblem.......................... 48 3.2.3 Gestaltungsbeispiele weiterer kraftbeanspruchter Gussstücke......... 51 3.2.4 Gestaltungsregeln für kraftgerechte Gussstückgestaltung................ 52 3.3 Kraftgerechte Schweißkonstruktionen ........................................................ 54 3.4 Kraftgerechte Blechteilgestaltung ............................................................... 56 3.5 Flächenpressung, Punkt- und Linienberührung........................................... 63 3.6 Zur Gestaltung elastischer Bauteile ............................................................. 66 3.7 Beispiele und Aufgaben............................................................................... 67 3.8 Kraftgerechtes Gestalten – Lösungen.......................................................... 73 4 Fertigungsgerechtes Gestalten der Einzelteile ..............................77 4.1 Einführung................................................................................................... 77 4.1.1 Fertigungsgerechte Gestalt, Fertigungsmenge und Baugröße.......... 78 4.1.2 Fertigungsgerechtes Gestalten und Kostendenken........................... 80 4.1.3 Wahl des Werkstoffs, des Grundfertigungsverfahrens und des Halbzeugs ......................................................................................... 82 4.1.4 Die klassischen und die neuen Konstruktionswerkstoffe................. 83 4.1.5 Genauigkeiten der Fertigung im Maschinenbau............................... 86 4.2 Fertigungsgerechtes Gestalten für die Einzelfertigung................................ 87 4.3 Gestalten von Gussstücken (urformgerechtes Gestalten) ............................ 93 4.3.1 Die Berücksichtigung der Formherstellung bei der Gussstück- gestaltung ......................................................................................... 97 4.3.2 Sicherung der Gusstückqualität durch den Konstrukteur............... 108 4.3.3 Berücksichtigung des Putzens und Entgratens ............................... 112 4.3.4 Gussstückfeingestaltung – Berücksichtigung der Rohguss- toleranzen ....................................................................................... 113 8 Inhaltsverzeichnis 4.3.5 Zur fertigungsgerechten Durchbildung eines Gussstückes ............ 117 4.4 Gestalten von Strangteilen......................................................................... 118 4.5 Gestaltung geschweißter Maschinenteile................................................... 123 4.5.1 Einführung...................................................................................... 123 4.5.2 Die Nahtarten und ihre wesentlichen Eigenschaften...................... 129 4.5.3 Zum Gestalten der Schweißteile..................................................... 136 4.5.4 Gestaltung bei dynamischer und statischer Beanspruchung........... 141 4.5.5 Beispiele, Aufgaben und Lösungen................................................ 144 4.6 Blechteilgestaltung .................................................................................... 147 4.6.1 Ziele, Grenzen und Anwendung der Blechteilgestaltung............... 147 4.6.2 Gestalten von Blechflachteilen....................................................... 152 4.6.3 Gestalten von Blechbiege- und Blechfaltteilen .............................. 157 4.6.4 Blechhohlkörper und Blechformteile ............................................. 160 4.6.5 Gestalten von Blechverbindungen.................................................. 162 4.7 Schmiedestücke ......................................................................................... 166 4.8 Gestalten für die spanende Bearbeitung .................................................... 167 4.8.1 Allgemeines.................................................................................... 167 4.8.2 Zum Spannen auf Werkzeugmaschinen ......................................... 172 4.8.3 Gestalten für Bohren, Senken, Reiben, Gewinden ......................... 174 4.8.4 Gestalten für Drehbearbeitung ....................................................... 176 4.8.5 Gestalten von Bauteilen mit ebenen Arbeitsflächen....................... 180 4.8.6 Gestalten für die Bearbeitung auf Bohr- und Fräszentren.............. 183 4.8.7 Gestaltung von Profilbohrungen .................................................... 185 4.9 Feingestaltung – die Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen.............. 186 4.9.1 Überbestimmungen ........................................................................ 186 4.9.2 Tolerieren mit Abmaßen und mit ISO-Toleranzen......................... 187 4.9.3 Kompensieren von Summentoleranzen .......................................... 197 4.9.4 Oberflächenangaben....................................................................... 201 4.9.5 Form- und Lagetoleranzen ............................................................. 203 4.10 Fertigungsgerechtes Gestalten – Lösungen ............................................... 211 5 Fügen und Montieren.....................................................................216 5.1 Welle-Nabe-Verbindungen und Axialsicherungen.................................... 216 5.2 Die montagegerechte Baugruppe............................................................... 230 5.3 Justieren..................................................................................................... 235 5.4 Fügen und Montieren – Lösungen............................................................. 240 6 Zur Darstellung...............................................................................241 7 Zusammenfassende Bemerkungen und Ausblick .......................245 Literatur- und Bildquellen/Weiterführende Literatur ...................250 . Sachwortverzeichnis .......................................................................253

Leseprobe Gerhard Hoenow, Thomas Meißner Entwerfen und Gestalten im Maschinenbau Bauteile - Baugruppen - Maschinen ISBN: 978-3-446-42214-8 Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-42214-8 sowie im Buchhandel. © Carl Hanser Verlag, München 3 Kraftgerechtes Gestalten – ein zentrales Anliegen Allgemeine Vorbemerkungen Unter kraftgerechtem Gestalten soll das Entwerfen von Maschinenteilen unter Berücksich- tigung der Hauptbeanspruchungsart des Maschinenbaus – der Einwirkung von Kräften und Momenten – verstanden werden. Da die Beanspruchung durch ein Moment immer auf eine Kraft, am Hebelarm angreifend, zurückgeführt werden kann, wird hier grundsätzlich nur mit dem Begriff „kraftgerechtes Gestalten“ gearbeitet. Dass eine Maschinenbaukonstruktion so ausgeführt sein muss, dass sie durch mechanische Beanspruchung nicht zu Bruch gehen darf, ist für jedermann selbstverständlich. Dieses „Zu- Bruch-gehen“ kann bedeuten: Zerstörung eines Bauteiles durch zu hohe • Zugbeanspruchung • Druckbeanspruchung • Biegebeanspruchung • Torsionsbeanspruchung oder • beliebige Kombinationen vorstehender Beanspruchungsarten. Eine nicht so selbstverständliche Art des Versagens von Maschinenteilen kann unzulässig große Verformung sein: • Dehnung durch Zug (selten) • Stauchung durch Druck (sehr selten) • Durchbiegung • Verdrehung durch Torsion • Stabilitätsverlust (Knicken, Beulen, ...) • Schwingungen (meist Resonanzen, hier nicht betrachtet) In der Regel wird daher von sehr vielen Maschinenteilen eine hohe Steifigkeit gefordert. Verschiedentlich wird anstelle des Begriffs Steifigkeit mit dem Begriff Starrheit gearbeitet. Da starr als nicht verformbar gedeutet werden kann, ist dieser Begriff falsch, denn es gibt keinen Werkstoff, der sich unter Einwirkung von Kräften nicht verformt. (Diese Tatsache ist jederzeit mit entsprechenden Messmitteln nachweisbar, bleibt aber dem bloßen Auge häufig verborgen.) Es gibt nur leicht verformbare und schwerer verformbare Werkstoffe. Daher wird hier stets mit dem Begriff Steifigkeit gearbeitet und die Forderung nach hoher Steifigkeit ist der Forderung nach geringer Verformung gleichzusetzen. Welche Beziehungen bestehen zwischen dem kraftgerechten Gestalten und dem Fachgebiet Technische Mechanik? Die Technische Mechanik beschäftigt sich mit der Berechnung von Spannungen oder Verformungen ausgehend von gegebenen Maschinenteilen. Das kraftge- rechte Gestalten liegt im Konstruktionsprozess vor dieser Berechnungsphase und erhebt den Anspruch, die Grobgestalt eines Maschinenteiles weitgehend den herrschenden Kräften so anzupassen, dass mit möglichst geringem Werkstoffaufwand der gewünschte Effekt erreicht wird. Dabei geht es nicht um extreme Leichtbauforderungen, wie sie z. B. der Flug- zeugbau stellt, bei denen die minimale Masse der Bauteile durch hohen fertigungstechni- schen Aufwand und zum Teil hochwertige Werkstoffe erkauft wird, sondern um geringe 28 3 Kraftgerechtes Gestalten – ein zentrales Anliegen Masse bei möglichst minimalen Gesamtkosten für Werkstoff/Halbzeug, Teilefertigung und Montage. Bevor der Konstrukteur mit dem kraftgerechten Gestalten beginnt, sollte er sich über fol- gende Hinweise bzw. Fragen Klarheit verschaffen: • Sind Spannungen oder Verformungen die kritische Größe? • Übersicht schaffen über Kräfte und Reaktionskräfte nach Größenordnung, Dynamik, Hauptrichtung und eventuelle Nebenkraftrichtungen! • Übersicht schaffen über „berufstypische Umgangsformen“ des – Bedienungspersonals (Facharbeiter, ungelernter Bediener) und – Wartungs-, Reinigungs- und Reparaturpersonals beim Umgang mit der Maschine/Gerät. Extreme Gegensätzlichkeiten bestehen zwischen Feinmechanik und Bergbau/ Bauwesen. Ist mit Besteigen, Mitfahren oder dergleichen an dafür nicht vorhergesehenen Bereichen zu rechnen? Reinigungskräfte haben kein „Maschinengefühl“, müssen aber Schmutz aus jedem Winkel entfer- nen (denke an Maschinen für Lebensmittelindustrie, Medizintechnik usw.) • Jede konstruktive Bearbeitung einer bestehenden Maschine sollte auch zu einer Leis- tungssteigerung führen. Schlussfolgerungen über die Proportionen kraftbeanspruchter Bauteile müssen die jeweiligen Entwicklungstendenzen berücksichtigen. a b c Bild 3.1 Meißelträger (Querbalken) von Langhobelmaschinen Die Entwicklung der Querschnitte des Querbalkens von 1910 (a) bis 1960 (c). Schlussfolgerungen über die Proportionen kraftbeanspruchter Bauelemente müssen die Entwicklungstendenzen berücksichtigen! 3.1 Die Grundregeln des kraftgerechten Gestaltens steifer Maschinenteile Die erste Grundregel lautet: K1: Leite Kräfte auf kurzen und direkten Wegen! Zur Ergänzung lässt sich formulieren: K1.1: Zug ist die ökonomischste Beanspruchungsart! K1.2: Jede vermiedene Kraftumlenkung beseitigt werkstoffaufwändige bzw. ver- formungsungünstige Biegung! 3.1 Die Grundregeln des kraftgerechten Gestaltens steifer Maschinenteile 29 Die folgenden Bilder mit ihren Erläuterungen dürften ausreichend zum Verständnis dieser Regeln beitragen. Fall I – Zwischen den Kraftangriffspunkten ist eine direkte Verbindung möglich: Geringster Werkstoffaufwand – Zugbeanspruchung Fall II – Keine direkte Kraftleitung möglich, aber das Hindernis (nicht dargestellt) kann beidseitig umfasst werden: Werkstoffaufwand wächst durch Biegeanteile. Fall III – Muss ein Hindernis einseitig umgan- gen werden, wächst der Werkstoffaufwand bei gleicher Maximal-Beanspruchung an den mit Pfeil markierten Stellen auf den 10fachen Wert. Bild 3.2 Anschauliche Darstellung zur Grundregel des kraftgerechten Gestaltens nach Leyer [25]: Leite Kräfte auf direkten Wegen! Bild 3.3 Lasthaken und Lastöse [25] Die Lastöse entspricht der Variante II und der Lasthaken der Variante III nach Bild 3.2. Der Werkstoffaufwand spricht eindeutig für die Lastöse. Infolge der schlechten Handhab- barkeit ist jeder Kran mit dem werkstoffauf- wändigen Kranhaken ausgerüstet. 30 3 Kraftgerechtes Gestalten – ein zentrales Anliegen Bild 3.4 Pressengestell – Schema [25] Bild 3.5 C-Gestell [27] Praktisches Beispiel für Fall II nach Bild 3.2 Praktisches Beispiel für Fall III. Bild 3.6 Zylinderkopf- verschraubung [25] Links: Ungünstige Kraftleitung, die Schrau- Rechts: Die Biegebeanspruchung ist weitge- benkräfte werden über Biegebean- hend herabgesetzt. spruchung in die Wand geleitet K2: Strebe bei nicht vermeidbarer Biegung kurze Biegelängen an! Auch diese Regel wird mit Hilfe der Bilder Bild 3.7 bis Bild 3.11 so illustriert, dass keine weiteren Erklärungen notwendig sind. Bild 3.7 Gabelförmige Verbindungs- stücke – Varianten [40] a) Für Einzelfertigung aus dem „Vollen“ (Rundstab) gearbeitet; die Zugkraft F wird im Verbindungs- stück gut geleitet, Biegebeanspruchung ist gering b) Kraftgerechte Blechkonstruktion aus zwei einfachen Blechteilen hergestellt c) Unbefriedigende einteilige Blechkonstruktion, die Gestaltung widerspricht der Forderung nach direkter Kraftleitung d) Unbefriedigende Schweißkonstruktion, Biegung der Platte P erfordert höheren Werkstoffaufwand, außerdem ist die Anzahl der Schweißnähte zu kritisieren 3.1 Die Grundregeln des kraftgerechten Gestaltens steifer Maschinenteile 31 Bild 3.8 Ottosche Versuchs-Viertaktmaschine (1876) [38] Der Lagerabstand La ist sehr groß, offensichtlich musste eine zusätzliche Abstützung ZA die unzulässig große Verformung der Kurbelwelle begrenzen. Bild 3.9 Kurbelwelle eines Einzylinder- kompressors. Die axiale Baulänge ist extrem kurz, die Lager sind in die Kurbelwangen „hineingebaut“. Bild 3.