Maschinenelemente 3. Hubert Hinzen. Kupplungen, Antriebe. Verspannung, Schlupf und Wirkungsgrad, Bremsen, 2., überarbeitete und erweiterte Auflage

Hubert Hinzen

Maschinenelemente 3

Verspannung, Schlupf ^und Wirkungsgrad, Bremsen, Kupplungen, ^Antriebe

2., überarbeitete und erweiterte Auflage

DE GRUYTER

OLDENBOURG

Inhaltsverzeichnis

Vorwort V

8

Verformung

^und

Verspannung

¹

8.1

Zusammenspiel verschiedenartiger Steifigkeiten

³

8.2 Besondere

Steifigkeitsprobleme

^von

Werkzeugmaschinen

7 8.2.1

Steifigkeitsoptimierung

^bei

Biegung

und Torsion 11 8.2.2

Anordnung

^von

Kraftwirkungslinien,

Gestellbauformen 13

8.2.3 Das Problem derNichtlinearität 15

8.2.4

Verrippungen

15

8.2.5

Fugensteifigkeit

¹⁸

8.3

Unsymmetrisch

^belasteter

Biegebalken

²¹

8.4

Abgestufter Biegebalken

23

8.5

Verspannen

^von

Werkzeugmaschinengestellen

26

8.6

Verspannung

mit Piezoelementen 30

8.7

Verformungsverhalten

von

Lagern

³⁶

8.7.1

Verformungsverhalten

^von

Wälzlagern

³⁷

8.7.2 Weitere

Lagerbauformen

als verspannte

Systeme

⁴⁹

8.7.3

Gegenüberstellung

verspannter

Lager

⁷⁶

8.8 Literatur 78

8.9

Aufgaben: Verformung

^und

Verspannung

⁸⁰

A.8.1

Verformung Aufhängevorrichtung

⁸⁰

A.8.2

Verformung

Rohr und Flacheisen 80

A.8.3 Sicherheitsnadel 82

A.8.4

Verformung

^GestellSchwenkbohrmaschine1 83

A.8.5

Verformung

Gestell Schwenkbohrmaschine II 84

X Inhaltsverzeichnis

A.8.6

Einlippenbohrer

⁸⁵

A.8.7

Verformung Fräsmaschinengestell

^{1 87}

A.8.8

Verformung Fräsmaschinengestell

^{II 88}

A.8.9

Schwimmbadsprungbrett

⁸⁹

A.8.10

Verformung Spindelwelle

⁹⁰

A.8.11

Belastung

^und

Verformung

^einerStahlbaukonstruktion 91 A.8.12

Belastung

^und

Verformung

^eines

Biegebalkens

mit zwei Abschnitten 92

A.8.13

Durchbiegung

einer Achse 93

A.8.14

Abgestufte

^{Rohrfeder 94}

A.8.15

Verspannung Dreischeibenspindelpresse

⁹⁶

A.8.16

Verspannung Pressengestell

⁹⁷

A.8.17 Piezokorrektur

Umfangsschleifscheibe

^{I 99}

A.8.18 Piezokorrektur

Umfangsschleifscheibe

^{II 100}

A.8.19 Piezokorrektur Rotationsschleifen 101

A.8.20

Vorgespannte Axialwälzlagerung

^{mit zwei}

gleichen Lagern

¹⁰² A.8.21 Vorgespannte

Axialwälzlagerung

mit zwei unterschiedlichen

Lagern

¹⁰⁴

A.8.22

Vorgespannte Axialwälzlagerung

^einer

Feinbohrspindel

¹⁰⁶

A.8.23

Steifigkeit

vorgespannter

Axialwälzlagerung

¹⁰⁷

A.8.24

Steifigkeit

vorgespanntes

Radialwälzlager

¹⁰⁹

A.8.25

Steifigkeit Zylinderrollenlager

¹¹⁰

A.8.26

Richtungsabhängigkeit

der radialen

Kugellagersteifigkeit

¹¹⁰

A.8.27

Steifigkeit rollengelagerte Spindel

¹¹¹

A.8.28

Steifigkeit Spindel (Kugellager

^und

^Welle)

¹¹²

A.8.29

Steifigkeit

^vondrei

wälzgelagerten Spindeln

¹¹³

A.8.30

Steifigkeit hydrostatische Spindel

¹¹⁵

A.8.31 Axiales

Luftlager

¹¹⁷

A.8.32 Radiales

Luftlager

¹¹⁸

9

Reibung, Schlupf, Wirkungsgrad

und Verschleiß 121

9.1

Haftreibung

^und

Gleitreibung, Begriff

^des

„Schlupfs"

¹²¹

9.2

Rollreibung

¹³⁰

9.2.1

Rollreibung

^von

Wälzlagern

¹³¹

Inhaltsverzeichnis XI

9.2.2

Analytischer

^{Ansatz für}

Rollreibung

^{Reifen-Straße 132}

9.2.3

Experiment: Rollreibung

^vonFahrradreifen 137

9.2.4

Gegenüberstellung analytischer

^Ansatz-

Experiment

141

9.2.5

Typische Rollreibungsbeiwerte

143

9.3

Verspannung

^sich

bewegender Systeme

143

9.4

Wirkungsgrad

^vonGetrieben 147

9.4.1

Reibungsbedingter Wirkungsgrad

^am

Beispiel

^des Kettentriebes 148

9.4.2

Schlupfbedingter Wirkungsgrad

¹⁶²

9.5 Verschleiß 179

9.5.1 Verschleißbehaftete

Lager

179

9.5.2 Verschleißbehaftete

Führungen

184

9.5.3 VerschleißvonFahrradreifen 185

9.6 Literatur 186

9.7

Aufgaben: Reibung, Schlupf, Wirkungsgrad

und Verschleiß 188 A.9.1

Verschraubung

^mitdifferenzierter Haft-und

Gleitreibung

^{1 188}

A.9.2

Verschraubung

^mitdifferenzierterHaft- und

Gleitreibung

^II 189

A.9.3

Rollreibung

^Fahrrad 190

A.9.4

Wirkungsgrad Fahrradkettenantrieb,

^Variationder

Leistung

¹⁹²

A.9.5

Wirkungsgrad

Kettentrieb Fahrrad,Variation der

Kettenradgröße

¹⁹⁴ A.9.6

Wirkungsgrad Fahrradkettenschaltung,

Variation des

Übersetzungsverhältnisses

¹⁹⁵

A.9.7

Rekord-Liegerad

^mitFrontantrieb 196

A.9.8

Verspannung

Riementrieb^-Kettentrieb,

Verformungsschlupf

^-

Gleitschlupf

^—198

A.9.9

Verspannung

Riementrieb^-Kettentrieb, SuchenachReibwert|jlund

dynami¬

schemElastizitätsmodul

Edyn

¹⁹⁹

A.9.10

Doppelter

Riementrieb,Suche nach Reibwert |x und

dynamischem

Elastizitäts¬

modul

Edyn

²⁰⁰

A.9.11

Dehnschlupf-Gleitschlupf,

Variation der

Leistung

²⁰¹

A.9.12

Dehnschlupf,

Variation der

Konstruktionsparameter

²⁰¹

A.9.13

Schlupfkompensierender

Riementrieb 202

A.9.14

Wälzgetriebe, Ermittlung

des Reibwertes I 203

A.9.15

Wälzgetriebe, Ermittlung

^{des ReibwertesII 204}

XII Inhaltsverzeichnis

A.9.16

Gleitlager

^mit

Festkörperreibung

²⁰⁵

A.9.17 Lenkbares Laufrad 206

10 Bremsen 209

10.1 Grundsätzliche

Aufgaben

²⁰⁹

10.2

Bremsvorgang

²¹¹

10.3 Thermische

Belastung

²¹⁷

10.3.1

Erwärmung

^bei

einmaligem

^{Bremsen 217}

10.3.2

Erwärmung

^bei

häufigem

oder dauerhaftem Bremsen 217

10.4 Abbremsenvon

Landfahrzeugen

²¹⁸

10.5 Bauformen

reibschlüssiger

^{Bremsen 224}

10.5.1 Scheibenbremse 224

10.5.2 Backenbremse 227

10.5.3

Kegelbremse

²³⁸

10.5.4 Bandbremse 242

10.6 Literatur 252

10.7 Normen 252

10.8

Aufgaben:

^{Bremsen 253}

A. 10.1

Bremsvorgang

^{einesHubwerks,VariationvonHubmasseund}Bremsmoment ...253 A. 10.2 Bremsvorgang^einesFahrrades,VariationvonBremsmoment und Gefälle 254

A. 10.3

Felgenbremse

^Fahrrad

(Seitenzugbremse)

²⁵⁵

A.10.4 Scheibenbremse Mountainbike 256

A.10.5 Vorderradscheibenbremse Motorrad 258

A. 10.6

Flugzeugbremse

²⁶⁰

A.10.7 Kranbremse mit Feder 263

A. 10.8 Kranbremse mit

Bremsvorgang

²⁶⁴

A.10.9 Eisenbahnbremse 265

A. 10.10 Vorderradtrommelbremse Motorrad^I 267

A. 10.11 Vorderradtrommelbremse Motorrad II 269

A.10.12

Kegelbremse

²⁷¹

A.10.13

Rollgliss

²⁷²

A. 10.14

Schlagzeugfußmaschine

²⁷⁴

Inhaltsverzeichnis XIII

A.l 0.15Seilbremsemit Feder 275

A.10.16 KombinationBandbremse^-Freilauf 276

A.10.17 Seilbremsefür

Stirlingmotor

278

A.10.18 Bandbremse 279

A.10.19 Bandbremse für Seilwinde 280

A. 10.20 Ankerwinde 282

11

Kupplungen

285

11.1 Grundsätzliche

Aufgaben

285

11.2 Nichtschaltbare

Kupplungen

287

11.2.1

Unterscheidung

^{nach„fest"und}

„beweglich"

²⁸⁷

11.2.2

Steifigkeit

^und

Dämpfung

²⁸⁸

11.3 Schaltbare

Kupplungen

²⁹¹

11.3.1

Kupplungsvorgang

291

11.3.2

Fremdbetätigte Kupplungen

297

11.3.3

Selbsttätig

^schaltende

Kupplungen

309

11.4 Literatur 339

11.5 Normen ₃₄₁

11.6

Aufgaben: Kupplungen

³⁴²

A.l 1.1 Bremsen und

Kuppeln

^{einesHubwerks 342}

A. 11.2 Trocken laufende

Scheibenkupplung

³⁴³

A.11.3

Scheibenkupplung, Optimierung

^der

Reibbelagabmessungen

344

A.l1.4

Kegelkupplung

345

A. 11.5

Kegelkupplung,

Variation der

Belastungskriterien

³⁴⁶

A.11.6

Doppelkegelkupplung

^als

fremdbetätigte Kupplung

³⁴⁷

A. 11.7

Doppelkegelkupplung

^als

Sicherheitskupplung

³⁴⁸

A. 11.8

Scheibenkupplung

^als

Sicherheitskupplung

³⁴⁹

A.11.9 Fliehkraftbremse 350

A. 11.10

Fliehkraftkupplung Kettensäge

³⁵¹

A. 11.11 Klemmrollenfreilauf mitInnenstern/Außenstern 353

A. 11.12

Klemmkörperfreilauf

³⁵⁴

A.l 1.13 Baureihe

Klemmkörperfreilauf

³⁵⁵

XTV Inhaltsverzeichnis

12 Getriebe als Bestandteil des Antriebes 357

12.1 Gestufte Getriebe ³⁵⁸

12.1.1 Definition der

Abstufung

³⁵⁸

12.1.2 Getriebe-und

Drehzahlplan

³⁵⁸

12.1.3 Getriebe mit2Stufenund 3 Wellen 362

12.2

Planetengetriebe

³⁶⁷

12.2.1

Geschwindigkeiten

³⁶⁸

12.2.2

Übersetzungsverhältnis

³⁷⁰

12.2.3 Zähnezahlen 371

12.2.4

Reibschlüssiges Planetengetriebe

³⁷³

12.3 An- und Abtrieb mehrerer Wellen 375

12.3.1 Gleiche

Umschlingungswinkel

^fürAn-und Abtriebe 377 12.3.2

Gleichmäßige Aufteilung

^des

optimierten Antriebsumschlingungswinkels

^auf

mehrere Abtriebe 379

12.3.3

Gleichmäßige Aufteilung

^der

Umfangskräfte

^bei

optimiertem

Antriebsum-

schlingungswinkel

³⁷⁹

12.3.4 Antrieb Gurtförderer 383

12.4

Übersetzungsverhältnis

^für

optimale Leistungsübertragung

³⁸⁶

12.5 Literatur ⁴⁰⁰

12.6

Aufgaben:

Getriebe alsBestandteil desAntriebs 401

A.12.1 III-6-Getriebe 401

A.12.2 III-9-Getriebe ⁴⁰²

A.12.3 IV-8-Getriebe 403

A.12.4 III-4-Getriebe,

optimale

Kombinationbeider Getriebestufen 404 A. 12.5

Planetengetriebe

^mit

vorgegebenen

Zähnezahlen 406

A. 12.6

Planetengetriebe,

Suche nach der Zähnezahl 407

A.^12.7 Baureihe

Planetengetriebe

^{mit i = 1,200bis}

1,500

⁴⁰⁸

A. 12.8 Baureihe

Planetengetriebe

^{mit i = 1,200bis6,000 408}

A. 12.9 MehrwellenantriebFörderband 409

A.12.10Mehrwellenabtrieb Textilmaschine 411

A.12.11

Rollengang Paketbeförderung

⁴¹²

A.12.12Mehrwellenabtrieb

Nebenaggregate

eines KFZ-Motors 413

Inhaltsverzeichnis XV

A.12.13 Mehrwellenabtrieb

Nebenaggregate

Dieselmotor ₄₁₄

A. 12.14

Leistungsanpassung

^Fahrrad 416

A.12.15

Leistungsanpassung

Gleichstromnebenschlußmotor^-Kranhubwerk 419

A.12.16

Leistungsanpassung Asynchronmotor

^-Gebläse 420

A

Lösungsanhang

423

A.8.1

Verformung Aufhängevorrichtung

⁴²³

A.8.2

Verformung

^RohrundFlacheisen 423

A.8.3 Sicherheitsnadel ₄₂₃

A.8.4

Verformung

^GestellSchwenkbohrmaschine1 424

A.8.5

Verformung

^Gestell Schwenkbohrmaschine II 425

A.8.6

Einlippenbohrer

425

A.8.7

Verformung Fräsmaschinengestell

¹ 426

A.8.8

Verformung Fräsmaschinengestell

^{II 426}

A.8.9

Schwimmbadsprungbrett

427

A.8.10

Verformung Spindel

^welle 427

A.8.11

Belastung

^und

Verformung

einer Stahlbaukonstruktion 427 A.8.12

Belastung

^und

Verformung

^eines

Biegebalkens

mit zwei Abschnitten 428

A.8.13

Durchbiegung

einer Achse 428

A.8.14

Abgestufte

^Rohrfeder 428

A. 8.15

Verspannung Dreischeibenspindelpresse

⁴²⁹

A.8.16

Verspannung Pressengestell

430

A.8.17 Piezokorrektur

Umfangsschleifscheibe

^I 430

A. 8.18 Piezokorrektur

Umfangsschleifscheibe

^II 431

A.8.19 Piezokorrektur Rotationsschleifen 431

A.8.20

Vorgespannte Axialwälzlagerung

^{mit zwei}

gleichen Lagern

⁴³²

A.8.21

Vorgespannte Axialwälzlagerung

mit zwei unterschiedlichen

Lagern

⁴³²

A.8.22

Vorgespannte Axialwälzlagerung

^einer

Feinbohrspindel

⁴³³

A.8.23

Steifigkeit

vorgespannte

Axialwälzlagerung

⁴³³

A.8.24

Steifigkeit

vorgespanntes

Radialwälzlager

433

A.8.25

Steifigkeit Zylinderrollenlager

⁴³⁴

A.8.26

Richtungsabhängigkeit

der radialen

Kugellagersteifigkeit

⁴³⁴

XVI Inhaltsverzeichnis

A.8.27

Steifigkeit rollengelagerte Spindel

⁴³⁴

A.8.28

Steifigkeit Spindel (Kugellager

^und

Welle)

⁴³⁵

A.8.29

Steifigkeit

^vondrei

wälzgelagerte Spindeln

⁴³⁶

A.8.30

Steifigkeit hydrostatische Spindel

⁴³⁶

A.8.31 Axiales

Luftlager

⁴³⁷

A.8.32 Radiales

Luftlager

⁴³⁸

A.9.1

Verschraubung

mit differenzierter Haft- und

Gleitreibung

^{1 439}

A.9.2

Verschraubung

mit differenzierter Haft- und

Gleitreibung

^{II 440}

A.9.3

Rollreibung

^{Fahrrad 442}

A.9.4

Wirkungsgrad

Fahrradkettenantrieb,Variation der

Leistung

⁴⁴²

A.9.5

Wirkungsgrad

Kettentrieb

Fahrrad,

Variation der

Kettenradgröße

⁴⁴³

A.9.6

Wirkungsgrad Fahrradkettenschaltung,

Variation des

Übersetzungsverhältnisses

⁴⁴⁴

A.9.7

Rekord-Liegerad

mit Frontantrieb 444

A.9.8

Verspannung

Riementrieb^-

Kettentrieb, Verformungsschlupf

^-

Gleitschlupf

^—445

A.9.9

Verspannung

Riementrieb^-Kettentrieb, Suche nach Reibwert jjl und

dynami¬

schemElastizitätsmodul

Edyn

⁴⁴⁵

A.9.10

Doppelter

Riementrieb,Suche nach Reibwert |jlund

dynamischem

Elastizitäts¬

modul

Edyn

⁴⁴⁵

A.9.11

Dehnschlupf

^-

Gleitschlupf,

Variation der

Leistung

⁴⁴⁶

A.9.12

Dehnschlupf,

Variation der

Konstruktionsparameter

⁴⁴⁶

A.9.13

Schlupfkompensierender

Riementrieb 446

A.9.14

Wälzgetriebe, ^Ermittlung

des Reibwertes I 447

A.9.15

Wälzgetriebe, Ermittlung

des ReibwertesII 447

A.9.16

Gleitlager

^mit

Festkörperreibung

⁴⁴⁷

A.9.17 Lenkbares Laufrad 448

A. 10.1

Bremsvorgang

^{einesHubwerks 448}

A.10.2

Bremsvorgang

eines Fahrrades 449

A. 10.3

Felgenbremse

^{Fahrrad 452}

A.10.4 Scheibenbremse Mountainbike 452

A.10.5 Vorderradscheibenbremse Motorrad 453

A.10.6

Flugzeugbremse

⁴⁵⁴

A.10.7 KranbremsemitFeder 455

Inhaltsverzeichnis _XVII

A. 10.8 Kranbremse mit

Bremsvorgang

455

A.10.9 Eisenbahnbremse ₄₅₆

A. 10.10 VorderradtrommelbremseMotorradI 456

A. 10.11VorderradtrommelbremseMotorrad II 457

A.l 0.12

Kegelbremse

457

A.10.13

Rollgliss

458

A.10.14

Schlagzeugfußmaschine

458

A.10.15 Seilbremse mit Feder 458

A. 10.16 KombinationBandbremse^-Freilauf 459

A.10.17 Seilbremse für

Stirlingmotor

459

A.10.18Bandbremse 459

A. 10.19 Bandbremse fürSeilwinde ₄₆₀

A.10.20 Ankerwinde ₄₆₀

A. 11.1 Bremsen und

Kuppeln

^{einesHubwerks} 461

A. 11.2 Trocken laufende

Scheibenkupplung

⁴⁶¹

A. 11.3

Scheibenkupplung, Optimierung

^der

Reibbelagabmessungen

⁴⁶¹

A.l1.4

Kegelkupplung

⁴⁶²

A. 11.5

Kegelkupplung,

Variation der

Belastungskriterien

⁴⁶²

A. 11.6

Doppelkegelkupplung

^als

fremdbetätigte Kupplung

⁴⁶² A.11.7

Doppelkegelkupplung

^als

Sicherheitskupplung

⁴⁶²

A. 11.8

Scheibenkupplung

^als

Sicherheitskupplung

⁴⁶³

A. 11.9 Fliehkraftbremse 463

A. 11.10

Fliehkraftkupplung Kettensäge

⁴⁶⁴

A. 11.11 Klemmrollenfreilauf mitInnenstern/Außenstern 465

A. 11.12

Klemmkörperfreilauf

⁴⁶⁵

A.l1.13 Baureihe

Klemmkörperfreilauf

⁴⁶⁵

A.l 2.1 III-6-Getriebe 466

A.l2.2 III-9-Getriebe 466

A.12.3 IV-8-Getriebe 468

A. 12.4

III-4-Getriebe, optimale

Kombination beider Getriebestufen 469 A. 12.5

Planetengetriebe

^mit

vorgegebenen

Zähnezahlen 470

XVIII Inhaltsverzeichnis

A. 12.6

Planetengetriebe,

Suche nach der Zähnezahl 470

A.12.7 Baureihe

Planetengetriebe

^{mit i=}

1,200

^bis

1,500

⁴⁷¹

A. 12.8 Baureihe

Planetengetriebe

^{mit i=}

1,200

^bis6,000 471

A. 12.9 Mehrwellenantrieb Förderband 472

A.12.10 Mehrwellenabtrieb Textilmaschine 472

A.12.11

Rollengang Paketbeförderung

⁴⁷³

A.12.12 Mehrwellenabtrieb

Nebenaggregate

eines KFZ-Motors 473 A.12.13 Mehrwellenabtrieb

Nebenaggregate

Dieselmotor 474

A.12.14

Leistungsanpassung

^{Fahrrad 475}

A.12.15

Leistungsanpassung

Gleichstromnebenschlussmotor^-Kranhubwerk 475 A. 12.16

Leistungsanpassung Asynchronmotor

^{-Gebläse 476}

Index 479