WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – HeinMaschinentechnik – 3. Stütz- und Führungselemente

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3. Stütz- und Führungselemente

3.1 Säulen, Betten, Gestelle

In allen technischen Systemen müssen Bauelemente ( Bauteile, Baugruppen ) in einer bestimmten Lage gehalten werden, oder es müssen ihnen in bestimmten Lagen zwangsläufige Bewegungen ermöglicht werden.

Die Ausführungen solcher Baugruppen mit Stütz- oder Führungsfunktion sind sehr vielgestaltig. Dementsprechend gibt es auch eine Vielzahl von Bezeichnungen.

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Gehäuse

Kurbelgehäuse

Rahmen

Leiterrahmen

Behälter für Flüssigkeiten / Gase

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Achsen sind Tragelemente innerhalb der Maschinen

Laufradachse eines Schienenfahrzeugs Seilrolle mit umlaufender Achse durch eine Planfeder verbunden

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Allgemeine Gesichtspunkte bei der Gestaltung und Dimensionierung der Stütz- und Führungselemente:

•Belastung durch Längs- und Querkräfte , Biege- und Torsionsmomente

•Die auftretenden Verformungen dürfen die Funktionsfähigkeit des Systems nicht beeinflussen: zB. müssen Werkzeugmaschinen eine minimale Verformung aufweisen, um die Bearbeitungs- genauigkeit zu gewährleisten. Deshalb haben die SzO Aussteifungen, Rippen oder Hohlprofile und besondere Gestellformen. Fahrzeugrahmen für Lkw sollen dagegen eine große Elastizität und Verwindungsfähigkeit aufweisen, um auch im Gelände fahren zu können. •Periodisch auftretende Kräfte ( dynamische Kräfte ) können zu Schwingungen anregen. Deshalb ist es günstig, wenn der Gestellwerkstoff schwingungsdämpfend ist, z.B. Grauguß ( GG ). Durch die eingelagerten Grafitlamellen im Gefüge des GG wird er daher häufig für Werkzeug- maschinengestelle verwendet. Hier spielt das Gewicht nur eine untergeordnete Rolle spielt. •Die Gestelle bestimmen auch wesentlich die äußere Form der Maschinen. Sie haben daher auch ästhetische Forderungen zu erfüllen. Heutige Gesichtspunkte : glattflächig, übersichtlich, leichte Reinigung

•Gehäuse sind zweckmäßig zu gestalten, um einen leichten Einbau der Funktionsteile zu ermöglichen. Z.B. trennen der Getriebe- oder Turbinengehäuse in Wellenmitte, um das Einlegen der Wellen von oben zu ermöglichen. Besondere Forderungen bestehen bei automatischer Montage durch Roboter

•Bewegte Systeme ( Fahrzeuge ) sollen möglichst eine geringe Masse aufweisen, da sie Einfluss auf die laufenden Betriebskosten hat (Energieaufwendungen beim Beschleunigen, Bremsen ); erreichbar durch: Werkstoffe mit höherer Festigkeit

Leichtbauprofile , Kastenhohlprofile Rohrkonstruktionen Stahl- und Schweißkonstruktionen

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3.2 Lager

Lager dienen zum Abstützen der Zapfen von Achsen und Wellen und ermöglichen damit Dreh- und Pendel- Bewegungen von Bauelementen.

Die Einteilung und Bezeichnung von Lagern erfolgt nach unterschiedlichen Kriterien.

1. Wirkungsrichtung der Kraft:

Wirkungsrichtung quer zur Drehachse: Radial- Lager oder Quer- Lagerlängs zur Drehachse : Axial - Lager oder Längs - Lager kombiniert: Radiax - Lager

Axiallager Axial-PendelrollerLagerRadiallager

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2. Reibungsart:

Gleit- und Wälzlager

Allgemeine Berechnungsgleichungen :

Reibungskraft : FR = FN

Reibungsmoment: MR = FR r

: Reibungszahl

FN : Normalkraft

r : Radius des Lagerzapfens v : Umfangsgechwindigkeit des Lagerzapfenst : ZeitReibungsarbeit WR = FR v t

3.2.1 Gleitlager:

• Die Gleitflächen müssen möglichst glatt sein (geringe Rauhtiefen ).

•Die Lagerschalen bzw. -buchsen sollen möglichst aus einem weicherem Werkstoff als die Zapfen gefertigt werden ( bei Verschleiß ist die Lagerschale billiger wiederherzustellen als die Welle; unterschiedlich harte Werkstoffe neigen nicht so schnell zum „Fressen“ bei Schmiermittelmangel).

Bauformen

Beschaffenheit

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•Das optimale Lagerflächenverhältnis Breite/Durchmesser liegt im Bereich : b/d = 0,4 bis 1,0 . Lange Zapfen führen zu Kantenpressung durch Verformung. Kurze Zapfenführen führen zu großem stirnseitigen Ölverlust durch den Schmierspalt.

•Die Kraftverteilung wird auf der projizierten Fläche gleichmäßig angenommen (Flächenpressung ). Der zulässiger Wert darf nicht überschritten werden, er bestimmt mit die erforderliche Lagergröße.

•Im Lager ist stets Spiel erforderlich ( Erwärmung, Schmiermittel, Toleranzen, Oberflächen- rauhigkeiten ) : s = d Bohr. d Zapf. relatives Lagerspiel : = s / d = ( 1 bis 5 ) 10 3

3. Unterteilung der Gleitlager nach dem Verschleiß

Verschleißlager und verschleißlose Lager : hydrostatische Lager hydrodynamische Lager

Verschleißlager

•Bauform und Schmierungsart des Lagers ermöglichen keine vollständige Trennung zwischen Lagerzapfen und Lagerschale/-buchse, so dass trotz Schmierung stets auch eine metallische Berührung vorhanden ist, die zu einem ständigen Verschleiß führt - ( Mischreibung ).

•Schmierung vermindert die Reibung und setzt die Verschleißgeschwindigkeit herab.

•Der ständig während des Betriebes eintretende Verschleiß bestimmt die Lebensdauer des Lagers, d.h. das Lagerspiel wird immer größer, bis der zulässige Grenzwert der Führungsgenauigkeit erreicht ist; dann muß das Lager aufgearbeitet oder erneuert werden.

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•Verschleiß abhängig von : Werkstoffpaarung, Flächenpressung, Oberflächenbeschaffenheit, Schmiermittel •Unterscheidung zwischen Einlaufverschleiß und Dauerverschleiß

•Bauformen : Augenlager, geteilte Lager, Sinterlager

•Sie werden bei Haushaltsmaschinen, im Gerätebau, bei Büromaschinen und Landmaschinen angewendet

Hydrostatische Lager

•Das Drucköl zur Erzeugung der trennenden und tragfähigen Schmierschicht wird durch eine

Hochdruck-Ölpumpe außerhalb des Lagers erzeugt und in den Lagerspalt bzw. in besondere

„Tragkammern“ gepresst, so daß schon im Stillstand der Flüssigkeitsreibungszustand erreicht wird.

•Es werden sehr kleine Reibwerte auch bei kleinen Gleitgeschwindigkeiten erreicht. Die Lager eignen sich für schweranfahrbare Maschinen (zB. Trommelmühlen) und für extrem langsame und gleichmäßige Drehbewegungen.

•Nachteilig ist der zusätzliche Aufwand für die leistungsfähige und betriebssichere Hochdruckpumpe ( Druck bis zu 200 bar, üblich 60 bis 100 bar) .

•Die Lager sind aber auch für sehr hohe Gleitgeschwindigkeiten und Luft als Schmiermittel geeignet. (angewendet bei Ultrazentrifugen )

Wirkprinzip: Zwischen Lagerschale und Wellenzapfen wird Schmiermittel gepumpt. Dadurch schwimmt der Zapfen im Lager.

Gleitlager sind einfach im Aufbau und billig in der Herstellung.

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Hydrodynamische Lager

Der Druck in der trennenden und tragfähigen Schmierschicht wird im Lager selbst erzeugt durch Umsetzung von Strömungsenergie in Druckenergie ( Prinzip : Wasserski ) . Dazu müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein :

1. keilförmiger Schmierspalt 2. Viskosität und Haftvermögen des Schmiermittels an den Lagerelementen 3. ausreichende Schmiermittelmenge 4. genügend große Gleitgeschwindigkeit

Wirkprinzip: Der rotierende Zapfen zieht das Schmiermittel infolge seiner Viskosität in den Schmierspalt.

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• Bei Radiallagern bildet sich der keilförmige Spalt infolge des Spiels zwischen Wellenzapfen und Lagerbuchse und der exzentrischen Lage des Zapfens durch Wirken der Querkraft; • Bei beginnender Drehbewegung wird das anhaftende Öl in den Spalt gezogen, die zunehmende Verengung führt zu einer Geschwindigkeitsvergrößerung der durchströmenden Ölteilchen, die aufgrund der Viskosität zu Schub- und Druckspannungen im Öl führt und die Schmierschicht zunehmend tragfähig und dicker macht. Es entsteht ein „Druckberg“.

• Der Wellenzapfen wandert mit zunehmender Drehzahl zur Lagermitte (theoretischer Grenzfall).

• Im Anlaufen einer Welle werden folgende Betriebszustände durchlaufen:FestkörperreibungMischreibungFlüssigkeitsreibung,

so dass ein hydrodynamisch geschmiertes Gleitlager beim An- und Auslaufen der Welle nicht verschleißfrei arbeitet.

• Der Reibwert ist bei der Übergangs-

drehzahl zwischen Mischreibung und

Flüssigkeitsreibung am geringsten. Aus

Sicherheitsgründen wird die Betriebs-

drehzahl aber bedeutend größer gewählt.

Stribeck Kurven

P: Lagerbelastung: ViskositätA: Ausklinkpunkte: Festkörperreibung

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3.2.2 Wälzlager

•Sie sind Präzisionsprodukte modernster Massenfertigung und werden seit etwa 80 Jahren

zunehmend im Maschinen- und Fahrzeugbau eingesetzt.

•Kennzeichnend ist die Wälzbewegung besonderer Wälzkörper ( Kugeln, Rollen, Nadeln ) auf feinstbearbeiteten Ringen ( Radiallager ) oder Scheiben ( Axiallager ) , so daß im wesentlichen nur Rollreibung auftritt.

Aufbau

Arten

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Vorteile der Wälzlager gegenüber den Gleitlagern:

•komplette einbaufähige Maschinenteile •international genormte Einbaumaße ( d, D, B ) und Tragzahlen•geringe Anlauf- und Betriebsreibung, da der Reibwert nahezu unabhängig von der Drehzahl ist •geringe Lagerbreiten •geringer Wartungsaufwand

Nachteile:

•stoßempfindlich •höhere Laufgeräusche •empfindlich gegen Verschmutzung •geringere Führungsgenauigkeit, außer bei Sonderbauformen •größere Lagerdurchmesser

Berechnung:

Wälzlager werden für eine endliche Lebensdauer dimensioniert, um bei einer ausreichenden Sicherheit wirtschaftlich vertretbare Abmessungen zu erhalten. Als Lebensdauer wird die Laufleistung festgelegt, die 90 % einer Versuchsreihe erreichen oder überschreiten.

Für den Anwender können sich zwei Aufgabenstellungen ergeben : 1. Ermittlung der Lebensdauer eines vorhandenen Lagers unter gegebenen Betriebsbedingungen ( Belastung , Drehzahl, Temperatur ) 2. Bestimmung der zweckmäßigen Lagergröße und Bauform für eine geforderte Mindest- Lebensdauer bei gegebenen Betriebsbedingungen

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7. Der Lagerzapfen einer Welle hat 60mm Durchmesser und wird mit einer Kraft von15 000 N belastet. Für die Lagerschale ist eine Flächenpressung von 800N/cm2 zulässig. Welche Breite muss die Lagerschaler haben?

Aufgaben

b

d

A = b d (projizierte Fläche des Lagers !)

b = 31,25 mm

8. Eine Welle aus Stahl läuft in zwei Lagern aus Zinnbronze. Die radiale Belastung beider Lager beträgt zusammen 1 kN. Die Lager werden gut geschmiert. Welche Reibungskraft ist beim Drehen der Welle zu überwinden, wenn die Gleitreibungszahl = 0,01 beträgt? FR = 10 N

9. Eine Welle aus St 60 mit einem Lagerzapfendurchmesser d = 40 mm läuft in zwei Rotgusslagern.

In den Lagern wirkt ein Reibungsmoment von 480 Nmm. Wie groß ist die Reibungskraft, die der Drehbewegung entgegenwirkt? FR = 24 N

10. Für die Wahl des Lagerwerkstoffes ist neben der mittleren Flächenpressung die Umfangs- geschwindigkeit der Welle im Lager maßgebend. Wie groß ist die Umfangsgeschwindigkeit eines Lagerzapfens mit dem Durchmesser d = 40 mm bei einer Drehzahl von n = 500 min-1? vu=1,05ms-1

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