Technische Informationen zur Baugruppenmodellierung

Im folgenden werden kurze Informationen zu Lagern, Dichtungen, Zahnrädern, Stiften, Bolzen, Gewinden, Schrauben, Muttern sowie Welle-Narbe-Verbindungen angeführt.

Lager:

Lager werden überall dort gebraucht, wo "sich etwas dreht". Es hat die Aufgabe, die sich drehenden Teile präzise zu führen und den Verschleiß so gering wie möglich zu halten. Es gibt Gleit- und Wälzlager. Wälzlager gibt es in vielen verschiedenen Variationen, doch die wichtigsten Arten sind die Kugel-, Nadel- bzw. Rollen- und die Kegelrollenlager. Das Grundprinzip ist immer das gleiche: zwischen zwei Laufringen (dem Innen- und dem Außenring) laufen die sogenannten Wälzkörper, also die Kugeln oder Rollen. Diese werden von einem Käfig geführt, der gleichzeitig dafür sorgt, daß sich die Körper nicht gegenseitig berühren.

Wälzlager haben den Vorteil, das sie anspruchslos in bezug auf Schmierung und Wartung sind, außerdem laufen sie sehr reibungsarm. Dazu kommt auch, daß Dimensionierungs- und Lebensdauerberechnungen für Wälzlager relativ einfach sind. Ihr Nachteil liegt zum einen darin, daß sie nicht so hohe Drehzahlen verkraften wie z.B. Gleitlager. Zum anderen sind sie nicht so gut für Bauteile geeignet, die stark vibrieren oder starke Stöße aushalten müssen, da in den Lagern immer Metall auf Metall abrollt und Stöße deshalb Lagerschäden verursachen können.

Gleitlager werden nach dem Prinzip unterschieden, nach dem sie funktionieren:

Hydrodynamische Gleitlager beruhen auf Flüssigkeitsreibung, dadurch "schwimmt" eine Welle verschleißfrei auf einem Ölfilm. Neben der Verschleißfreiheit haben diese Lager noch einen weiteren Vorteil: der Ölfilm verteilt die Belastungen gleichmäßig und dämpft Vibrationen. Der Nachteil dieser Lager ist der notwendige Ölkreislauf, da sie mit Drucköl versorgt werden müssen. Daher werden solche Lager meist dort eingesetzt, wo schon ein Ölkreislauf vorhanden ist, also z.B. im Verbrennungsmotor.

Selbstschmierende Lager sind meist Sintermetall-Gleitlager, die mit Schmierstoffen imprägniert werden, d.h. der Schmierstoff sammelt sich in den Poren des Metalls. Der Vorteil ist bei diesen Lagern, daß sie kostengünstig und wartungsarm sind. Nachteilig ist dagegen, daß sie nicht verschleißfrei arbeiten.

Daneben gibt es noch die Trockengleitlager, die meistens aus Kunststoff bestehen, da hierbei das Material gute Gleiteigenschaften besitzen muß.

Anordnung und Aufbau von Lagerungen:

Grundsätzlich ist immer die aus der Technischen Mechanik bekannte Fest-Los-Lagerung anzustreben. Das bedeutet: das Festlager bestimmt die Lage der Welle in radialer und axialer Richtung, das Loslager nur in radialer Richtung.

Der Vorteil dieser Lagerung liegt darin, daß Verspannungen in der Welle, z.B. durch Erwärmung, vermieden und ausgeglichen werden können.

Daneben existiert noch eine statisch unbestimmte Lagerungsvariante, die Stützlagerung. Dabei sind beide Lager sowohl in radialer als auch in axialer Richtung festgelegt. Der Vorteil dieser Lagerung liegt in der hohen Steifigkeit, weshalb sie oft bei hohen Belastungen angewendet wird, z.B. bei PKW-Achsen. Es werden meistens Kegelrollenlager verwendet, die entweder in X- oder in O- Anordnung eingebaut werden:

Beispiele für X- und O- Anordnung:


Dichtungen:

In der Dichtungstechnik wird unterschieden, ob relativ zueinander bewegte oder ruhende Teile abgedichtet werden müssen. Danach richtet sich auch die Auswahl der Dichtung. Daneben ist auch von Bedeutung, ob gegen flüssige, also z.B. Öl, oder gegen feste Stoffe, also z.B. Fett, abgedichtet wird. Die Dichtung soll aber auch das Eindringen von Fremdstoffen von außen verhindern. Weitere Anforderungen an Dichtungen sind: Langlebigkeit, Montierbarkeit und niedriger Preis.

O-Ringe sind Gummiringe mit Kreisquerschnitt, die meist bei Bauteilen ohne Relativbewegung und zum Abdichten gegen flüssige Medien benutzt werden. Sie werden in eine Ringnut eingesetzt, die entweder in der Bohrung oder auf dem Gegenstück sitzt. Die Dichtfläche muß bearbeitet sein. Beim Zusammensetzen der beiden Teile, zwischen denen der O- Ring dann sitzt, wird er gegen die Dichtflächen und die Wand der Ringnut gedrückt und erzeugt so die Dichtwirkung.

Bei bewegten Teilen ist ein O-Ring daher weniger zu empfehlen, da die große Auflagefläche den Verschleiß fördert.

Filzringe werden genauso gehandhabt wie O-Ringe, sie sind aber nicht geeignet für die Abdichtung gegen Flüssigkeiten, sondern eher für feste Stoffe wie z.B. Fett. Da der Filz nicht an Metall haftet wie Gummi, können Filzringe auch bei Teilen mit Relativbewegung eingesetzt werden.

Radialwellendichtringe sind die klassischen Dichtelemente für bewegte Teile. Sie bestehen aus einem Metallring, der in ein Formelement aus Gummi eingebettet ist (siehe Bild). Eine feine Gummilippe läuft dabei auf der feinbearbeiteten Dichtfläche ab und verhindert das Austreten des Mediums, z.B. Öl. Gleichzeitig wird die Gummilippe aber durch das Öl geschmiert, so daß der Verschleiß klein gehalten wird. An Wellen, auf die ein Radialwellendichtring montiert wird, muß eine Montageschräge angebracht werden, um den Dichtring, insbesondere die Lippe, beim Einbau nicht zu verletzen. Radialwellendichtringe gibt es in vielen Varianten für verschiedene Aufgaben, einige davon sind hier aufgeführt:

Bild des Dichtringes:


Zahnräder:

Zahnräder sind Maschinenelemente, die Drehmoment durch Formschluß übertragen. Dabei greifen die Zähne mindestens zweier Räder ineinander und "wälzen" aufeinander ab. Die Verzahnung kann gerade oder schräg angeordnet sein. Schrägverzahnte Räder bieten im Vergleich mit geradverzahnten folgende Vorteile:

Die Nachteile sind die höheren Herstellkosten und die Axialkraft, die die schrägen Zähne erzeugen. In der Regel werden schrägverzahnte Zahnräder eingesetzt, da sie bei gleicher Baugröße höhere Kräfte und Momente übertragen können als geradverzahnte Räder.

 

Beispiel für ein Getriebe mit Stirnrädern

Neben den "normalen" Zahnrädern gibt es noch die Kegelräder . Hierbei liegen die Wellenachsen nicht wie bei Stirnrädern parallel zueinander, sondern die Wellenachsen schließen einen Winkel von 90° ein. Auch bei Kegelrädern gibt es Gerad- und Schrägverzahnung (siehe Bild) mit den gleichen Vor- und Nachteilen wie bei den Stirnrädern.

 

Beispiel für ein Kegelradgetriebe

Stifte und Bolzen:

Stifte dienen hauptsächlich zu Führungs- und Positionierungszwecken. Zylinderstifte werden z.B. zur Positionsbestimmung bei Getriebegehäusen verwendet. Dazu werden meist zwei Stifte asymmetrisch in die Flansche des Ober- und des Unterteils eingebaut, so daß beide Hälften nur noch auf eine Art zusammenpassen.

Bolzen werden meist zum Führen benutzt, wobei dann mindestens zwei Bolzen vorhanden sind, um alle Bewegungen, bis auf die entlang der Bolzenachse, zu verhindern.


Gewinde/ Schrauben/ Muttern:

Ein Gewinde ist eine Nut in Form einer Schraubenlinie, die in die Außen- (z.B. Schrauben) oder die Innenfläche (z.B. Muttern) eines zylindrischen Körpers eingeschnitten wird. Die Nut ermöglicht es, zwei mit korrespondierenden Gewinden versehene Teile lösbar miteinander zu verbinden oder eine Dreh- in eine Längsbewegung umzuwandeln. Das ist abhängig von der Gewindesteigung, also dem Weg in Achsenrichtung, den das Teil mit Gewinde pro Umdrehung verfährt.

Bei Schraubenverbindungen entsteht die Verbindung zweier Werkstücke entweder dadurch, daß beide Werkstücke mit Schraube und Mutter zusammengepreßt werden oder die Schraube in ein Sackloch (siehe Bohrungen) mit eingeschnittenem Gewinde im einen Werkstück eingreift und so das andere Werkstück zusammenpreßt.


Welle- Nabe- Verbindungen:

Die Nabe ist ein Drehkörper, der auf einer Welle oder Achse sitzt, also z.B. ein Zahnrad, das auf eine Welle geschoben wird. Damit nun das Drehmoment, das z.B. auf dieses Zahnrad einwirkt, auf die Welle übertragen werden kann, muß ein Verbindungselement zwischen Welle und Zahnrad eingesetzt werden, die Welle- Nabe- Verbindung (kurz: WNV).

Die am meisten verwendete WNV ist die Paßfeder: in Welle und Nabe (z.B. Zahnrad) werden Paßfedernuten (siehe Nut) gefräst, und in die Welle wird die Paßfeder eingesetzt. Das Zahnrad wird daraufgeschoben, so daß die Paßfeder auch in die Nut der Nabe greift. Paßfedern gibt es in verschiedenen genormten Formen.

Bild: Passfederverbindung

Eine weitere Möglichkeit, Wellen mit Naben zu verbinden sind die Querpreßverbände. Dabei ist der Durchmesser der Bohrung in der Nabe, also z.B. dem Zahnrad, etwas kleiner als der Außendurchmesser der Welle (der Größenunterschied wird über die Toleranzen der Teile festgelegt). Vor dem Zusammenbau wird die Welle dann gekühlt (sie "zieht sich dadurch zusammen") und die Nabe erhitzt (dadurch dehnt sie sich). Nun kann die Nabe auf die Welle gesteckt werden. Wenn Welle und Nabe wieder Raumtemperatur und ihre "normale Grösse" erreicht haben, dann ist eine unlösbare Verbindung entstanden.

Bild: Querpressverband

Neben diesen Verbindungen gibt es noch eine Vielzahl anderer Möglichkeiten, die aber eher selten verwendet werden (auf jeden Fall nicht im Rahmen dieser Übung), z.B. das Ringspannelement. Dieses Teil wird zwischen Welle und Nabe eingebaut und kann dann über eine Schraube gespannt werden.


Federn:

Die Feder ist ein Maschinenelement, das sich bei Belastung elastisch verformt. Benannt werden Federn nach ihrem Verwendungszweck (z.B. Uhr-, Fahrzeug-Federn, usw.), ihrer Beanspruchung (Zug-, Druck-, Biege-, Torsions- bzw. Verdreh-Federn) und/oder Gestalt (Rechteck-, Blatt-, Spiral-, Schrauben-Feder, Drehstab). Sie werden überall dort eingesetzt, wo stoßartige Belastungen wirken, da die Feder die Stoßenergie in Verformungsenergie (und Wärme) umsetzt. Oft wird sie in Verbindung mit Schwingungsdämpfern benutzt, da die Feder allein durch die Beanspruchung schwingen würde.

Bild: Beispiel für eine Zugfeder

Scheiben:

Scheiben, oft auch als Unterlegscheiben bezeichnet, werden bei Verschraubungen benutzt, um die Auflagefläche des Schraubenkopfes zu vergrößern. Die Schraubenkraft, die kegelförmig vom Kopf in das Werkstück eingeleitet wird, wird dadurch in einem größeren Bereich des Werkstücks wirksam. Aufgrund dieser Eigenschaften werden Scheiben dort benutzt, wo das Material zu weich ist. Im klassischen Maschinenbau (z.B. beim Verschrauben von Getriebegehäusen) werden keine Scheiben eingebaut, da hier meist Stahl als Werkstoff benutzt wird.