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Maschinenlehre (Subject) / Maschinenlehre (Lesson)

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• Welches Trägerprofil ist am besten geeignet für Biegebeanspruchungen? Trägerquerschnitt für maximale Biegesteifigkeit: Doppel T- Profil   Möglichst viel Material, möglichst weit entfernt von Biegeachse 
• Welches Trägerprofil ist am besten geeignet für Torsionsbeanspruchungen? Trägerquerschnitt für maximale Torsionssteifigkeit:  geschlossenes Kreisprofil: Hohle, geschlossene Querschnitte 
• Bei welchen Fällen werden die verschiedenen Versagenshypothesen jeweils angewendet? 1. Werkstoffe die im Zugversuch zäh reagieren:    Schubspannungs-Hypothese   Versagensfall mit GEH überprüfen    2. Werkstoffe die im Zugversuch spröde reagieren (sehr empfindlich gegen Kerben):   Trennbruch nach Normal- oder Hauptspannungshypothese     3. Dauerbruch bei mehrachsiger gleichsinniger Beanspruchung unter Hauptspannungen. Versagensursachen  sind oft:  Fließbehinderungen (Kerbe) oder Eigenspannungen   GEH ggf. in Kombination mit NSH 
• Temperaturabhängigkeit des Werkstoffverhaltens Festigkeitsangaben meist für Raumtemperatur  Abnehmende Festigkeit bei zunehmender Temperatur (v.a. bei T > Kristallerholungstemperatur)  Kriechen   Bei niedrigen Temperaturen: Einsetzten von Kaltsprödigkeit (wegen Fließbehinderung) 
• Was versteht man unter dem Begriff Kerben und welchen Einfluss haben diese auf die Bauteilfestigkeit? Kerben sind Störstellen für den Kraftfluss, die durch äußere oder innere Änderungen der Bauteilkontur entstehen. Beispiele für derartige Störstellen sind:  • Konstruktive Kerben ( Wellenabsätze, Gewinde, Nuten u.a.)  • Fügestellen (Pressverbindungen, Nietungen, u.a. )  • Fehlstellen ( Lunker, Risse, Oberflächenrauhigkeiten u.a.) (innere) Kerben schwächen den Bauteilquerschnitt (Brutto => Nettoquerschnitt), wodurch die Nennspannung im gestörten Querschnitt ansteigt. Außerdem entstehen Spannungskonzentrationen im Kerbgrund. 
• Wie sind die Formzahl α K und die Kerbwirkungszahl β K mathematisch definiert? Wovon sind α K und β K abhängig? Nennen Sie je drei Abhängigkeiten. Welche Zahl verwendet man für statische und welche für dynamische Belastungen Formzahl: αk  = σmax./σn Statische Beanspruchung Die (Kerb-) Formzahl beschreibt die Spannungskonzentration  Die Formzahl α K   ist:  abhängig von der Belastungsart (Zug, Biegung, Torsion)  abhängig von der Körpergeometrie   unabhängig vom Werkstoffverhalten  Kerbwirkungszahl:  βK  = σD, glatte Probe /σD, gekerbte, Probe dynamisch Die Kerbwirkungszahl bildet Mikrostützung ab:  Werkstoffverhält sich in der Praxis besser als in der Theorie  aufgrund von Inhomogenität in den Kristallen (gegenseit. Stützen)    Die Kerbwirkungszahl βK   ist abhängig von:  von der Belastungsart  von der Körpergeometrie  vom Werkstoffverhalten (Oberfläche, Bauteilgröße)   
• Beschreiben Sie den Zusammenhang zwischen Materialeigenschaften von Stahl und Kerbempfindlichkeit Zäher Stahl: Kleine Festigkeit, Kerbunempfindlich  Spröder Stahl: Hohe Festigkeit, Kerbempfindlich  In der Praxis folgt deshalb: Oberflächenhärten (Außen hart, innen zäh) 
• Wie erfolgt die Umrechnung von α K zu β K ? Bollenrath-Trost (Umrechnung zwischen α K  und β K ): Linke und rechte Achse (β K  / α K ) sind äquivalent.   Man nimmt jeweils die besser lesbare bzw. die wo der Wert ungleich Null ist  Kerbradius unten über Sigma B (zugfestigkeit
• Nennen Sie jeweils 3 Beispiele für formschlüssige- und für kraftschlüssige Verbindungen Formschlüssige: Bolzen und Stiftverbindungen Pass und Scheibenfederverbindungen, Profilwellenverbindung Niet- und Schraubenverbindungen (Berechnung wie Kraftschluss) Kraftschlüssige: Keil-, Kegelverbindungen Verbindungen mit federnden Zwischengliedern Pressverbindungen Druckölpressverbände Klemmverbände
• Was sind Kennzeichnung, Vorteile und Nachteile von Stoffschlüssigen Verbindungen? Kennzeichnung:    Unlösbare Verbindung mit Hilfe von Zusatzwerkstoffen (Arteigen oder artfremd)  Vorteile:   -  Hohe Übertragungsfähigkeit  -  Geringer Raumbedarf  Nachteile: -  Nicht lösbar  -  Nicht mit allen Werkstoffen anwendbar  -  Eigenspannung durch starke Erwärmung/Abkühlung (z.B. Heißkleber) 
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• Nennen Sie 3 Arten von stoffschlüssigen Verbindungen -  Schweißverbindungen  -  Klebeverbindungen  -  Lötverbindungen 
• Nennen Sie 2 Vor- und Nachteiel für das fertigungsverfahren des Schweißens. Vorteile:     Hohe Übertragungsfähigkeit  -  Dichtheit  Nachteile: -  Nicht lösbar  -  Nicht mit allen Werkstoffen anwendbar 
• Welche Vorraussetzungen müssen für Schweißnähte der Güteklassen I bis III erfüllt werden? Mit welchem Abfall der Festigkeit ist gegenüber Nähten der Klasse I zu rechnen? Güteklasse 1: Werksneutral geprüfter Schweißer, Röntgenuntersuchung der Schweißnaht, Nähte bearbeitet   Güteklasse 2:  Werksneutral geprüfter Schweißer, keine vollständige Prüfung der Schweißung, Nähte nicht bearbeitet. 20% Güteverlust Güteklasse 3:  Schweißer und Schweißnaht nicht geprüft  50% Güteverlust    
• Was sind Kennzeichnung, Vorteile und Nachteile von Löt- und Klebeverbindungen? Kennzeichnung: Stoffschlüssige Verbindungsarten mit artfremden Zusatzwerkstoffen Vorteile: -  Geringe/keine Wärmebelastung dadurch Geringer Verzug, Eigenspannung, Versprödung  -  Verbindung unterschiedlicher Werkstofftypen  Nachteile: -  Geringe Festigkeit  -  Aufwendige Vorbereitung (Reinigung)  -  Begrenzte Wärmefestigkeit  
• Was gilt es grundlegend bei der Gestaltung von Löt- und Klebeverbindungen zu beachten? Es werden reine Schubspannungszustände angestrebt (Vermeiden von Normalspannungen) 
• Zwei Rohre sollen aneinander geklebt werden. Sie werden nur auf Zug beansprucht. Skizzieren Sie mindestens eine klebegerechte Lösung Siehe Skript
• Nennen Sie die Kennzeichnung und je drei Vor- und Nachteile von formschlüssigen Verbindungen! Kennzeichnung:    Übertragung von Wirkkräften als Normalkräfte an Wirkflächen (Flächenpressung und Hertz’sche Pressungen) an ein Mitnehmerteil.  Vorteile: -  Verbindung ist leicht lösbar  -  Keine Vor- und Eigenspannungen  -  Ein- oder mehrere Freiheitsgrade  -  Fixieren und zentrieren  Nachteile: -  Aufwendige und teure Fertigung  -  Platzbedarf meist größer ls bei Schweißnaht  -  Mikrobewegungen („Reibrost“) 
• Nennen Sie vier Beispiele für formschlüssige Verbindungen 1) Passfeder  2) Welle-Nabe-Verbindung mit einem Längsstift  3) Bolzenverbindung  4) Zahnwelle  5) Polygonal-Welle-Nabe-Verbindung  6) Welle-Nabe-Verbindung mit einem Querstift 
• Nennen Sie vier Beispiele für formschlüssige Verbindungen 1) Passfeder  2) Welle-Nabe-Verbindung mit einem Längsstift  3) Bolzenverbindung  4) Zahnwelle  5) Polygonal-Welle-Nabe-Verbindung  6) Welle-Nabe-Verbindung mit einem Querstift 
• Nennen und erklären Sie die Anwendungsarten von Stiften Stifte werden bei festen Verbindungen eingesetzt.  Sie dienen zur Lagefixierung (Fixierstifte). Sie übertragen in diesem Fall keine Kraft.  Soll ein Stift zur Kraftübertragung verwendet werden, ist er ausreichend stark zu dimensionieren - bei Verwendung mehrerer Stifte besteht die Gefahr der Doppelpassung 
• Nennen und erklären Sie die Anwendungsarten von Bolzen Bolzen werden bei beweglichen Verbindungen eingesetzt. In einer Konstruktion, wo ein Freiheitsgrad gewünscht wird (z.B. Verdrehung in Gelenkbolzen). Sie werden bei gleichzeitiger Kraftübertragung und Verdrehung eingesetzt. Sie werden mit Spielpassung (D9 bis D11/h11) eingebaut und benötigen eine Sicherung gegen Herausfallen.   
• Für welche Verbindungsart werden Bolzen eingesetzt und weshalb ergibt sich hieraus die Notwendigkeit der Sicherung gegen Herausfallen? Nennen Sie mindestens drei mögliche Sicherungselemente! Bolzen werden als Gelenkverbindungen eingesetzt und müssen wegen der hierfür erforderlichen Spielpassung gegen herausfallen gesichert werden. Mögliche Sicherungselemente sind:  • Splinte  • Sicherungsscheiben  • Sicherungsringe  • Sprengringe  • Gewindezapfen mit Sechskantmutter 
• Welche Anforderungen werden an Bolzen- und Stiftwerkstoffe gestellt? -  Stift/ Bolzen dürfen mit dem Bauteil nicht fressen  -  Stift/ Bolzen muss härter sein als das Bauteil  -  Massenherstellung muss möglich sein. 
• Nach welchen Versagensursachen werden Bolzen und Stifte ausgelegt? Abscheren Biergung Flächenpressung
• Die dargestellte Vollnietverbindung wird rein auf Zug belastet. Nennen Sie die beiden möglichen Versagensursachen und geben Sie die zugehörigen Berechnungsgleichungen unter Verwendung der genannten Geometriegrößen an. Abscheren:  τa   = F/A = 4F/π*d 2   < τ zulässig  Flächenpressung:   Pmax=F/d*s + Pb, wobei d*s= Querschnittsfläche des runden Bolzen  Pb=Fläche unter dem als linear angenommen Biegemomenten Verlauf der Sich beim Schwerpunkt des Bolzens umkehrt (hier genau Mitte) 
• Die dargestellte Welle-Nabe Verbindung (Passfeder)wird durch torsion belastet. Nennen Sie die beiden möglichen Versagensursachen und geben Sie die zugehörigen Berechnungsgleichungen unter Verwendung der genannten Geometriegrößen an. τa   = ½ F U /A = ½ F U  /π*d 2     Wobei Fu = Umfangskraft = 2T/Durchmesser der Welle
• Nennen Sie 4 formschl&uuml;ssige Welle-Nabe-Verbindungen Bolzen-, Stift-, Passfeder-, Scheibenfeder-, Profilwellen-, Schrauben-, Nietenverbindungen
• Nach welchen Versagensursachen werden Passfedern ausgelegt? - Abscheren  - Flächenpressung 
• Nennen Sie 3 Arten von Passfederverbindungen? a)  Riemenscheibe mit Welle  b)  Riemenrolle mit Welle  c)  Schiebezahnrad mit Welle 
• Was muss beachtet werden, wenn die wenn zwei (statt nur einer einzelnen) Passfedern verwendet werden? Tragbarkeit erhöht sich: Neue Tragfähigkeit (in %) = Anzahl der Federn * 0,75  Die Belastung kann sich eventuell ungleich verteilen (eine Feder wird stärker als die andere belastet)  Weniger festen Werkstoff verwenden, da geringfügiges Fließen einen Ausgleich schaffen kann.  Welle wird durch zusätzliche Nut geschwächt 
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• Nennen Sie die Auslegungsformel für Keil- und Zahnwellen und benennen Sie die Variablen in der Formel! P=2*T/d*z*hw*b*φ z = Anzahl der Flankenpaare  d = mittlerer Durchmesser  h w  = wirksame Flankenhöhe  b = tragende Breite der Verbindung  φ = Traganteil 
• Nennen Sie Gründe, weshalb eine axiale Sicherung (Fixierung) bei formschlüssigen Verbindungen benötigt wird! Nennen Sie drei Bauteile für axiale Sicherungen! Die axiale Sicherung (Fixierung) wird für die Herstellung einer festen Welle-Nabe-Verbindung (WNV) notwendig.  Eine Eindeutigkeit wird auch ohne axiale Kraft bei WNV erwünscht.  - Splintsicherung  - Kolbenbolzensicherung mit Drahtring  - Sicherungsring 
• Nennen Sie die Kennzeichnung und die Vor- und Nachteile von kraftschlüssigen Verbindungen. Kennzeichnung:    Kraftfeld während gesamter Betriebsdauer Vorteile:  -  in der Regel lösbare Verbindungen -  gut einstellbar über Normalkraft  -  bei dynamischer Belastung besser als Formschluss (kein Spiel)  Nachteile: -  Umfangsspannungin der Nabe (Ring)  -  Reibwert ist kritisch - Mikrobewegung durch unterschiedliche Verformungen -> Reibrost - Übertragung abhängig von Reibung
• Welche Vor- und Nachteile weisen Kraftschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen auf? Vorteile: -  In der Regel lösbar  -  Einstellbar durch Variation der Vorspannung  -  Dynamisch belastbar (kein Spiel in der Verbindung  Nachteile: -  Übertragung durch Reibfaktor begrenzt  -  Hohe Vorspannung – hohe Eigenspannung  -   Mikrobewegungen: Reibrost 
• Nennen Sie das Coulomb'sche Gesetz R = μh * N
• Wodurch wird das erforderliche Übermaß im Presssitz erzeugt? -  Aufschieben zylindrischer Teile mit gefertigten Übermaßen (hohe Axialkraft beim Fügen)  -  Aufschieben kegeliger Teile  -  Fügen durch Temperaturdifferenz (Schrumpfen)  -  Pressverbände (Montagemittel Öl) 
• Welche Verfahren zum Fügen von Pressverbindungen kennen Sie? Beschreiben Sie diese! -  Längspressverband: Welle und Nabe werden mit der entsprechenden Axialkraft ineinander geschoben  -  Querpressverband: Nabe wird aufgeweitet und/oder Welle wird geschrumpft (kurzzeitig). Dann wird kraftlos gefügt. Nach der Rückverformung entsteht der Reibschluss. Folgende Arten können  unterschieden werden:  Aufweiten / Schrumpfen durch Temperaturänderung: Erwärmen der Nabe (bis max. Kristallerholungstemperatur, ca. 400°C), Abkühlen der Welle durch flüssigen Sticksoff (bis ca. -170°C) oder Trockeneis (bis ca. -80°C)  Anwendung von Drucköl. Dadurch Trennung der Oberflächen bei geringem Reibbeiwert  -   Innenhochdruckfügen: Hohle Welle und Nabe mit Spielpassung werden ineinander geschoben. Durch einen hohen Druck in der Welle (ca. 4000 bar) verformt sich diese plastisch und „schmiegt“ sich an die Nabe an, so dass ein Reibschluss entsteht. 
• Erklären Sie, warum bei der Auslegung von Querpreßverbänden sowohl das Größt- als auch Kleinstübermaß berücksichtigt werden müssen! Kleinstmaß --> Übertragungsfähigkeit  ==> Durchrutschen    Größtmaß --> Festigkeitsgrenze  ==> Bruch   
• Wodurch kann ein Ausfall der Pressverbindung erfolgen? -  Rutschen: Der durch die Vorspannung erzeugte Passfugendruck ist zu gering  -  Überschreiten der Elastizitäts-/ Bruchfestigkeitsgrenze der am höchsten belasteten Stelle damit Aufplatzen der Nabe 
• Welcher Nachteil ergibt sich bei beim Längspressverband? Welche Vorteile haben Querpressverbände und Verbindungen durch Kegelwirkung? Durch Einpressen (Längspressverband) Nachteil: - Oberflächenbeschädigung  Durch Schrumpfen (Querpressverband)  Vorteil: - Hohe Pressfugendrücke realisierbar damit Hohe Übertragungsfähigkeit  - Gut reproduzierbar  Durch Kegelwirkung von Welle und Nabe  Vorteil: kalt fügbar Nachteil: Kegelherstellung etwas teurer als zylindrische Bohrung
• Nennen Sie mindestens 5 verschiedene reibschlüssige Verbindungen!   -  Zylindrischer Schrumpfverband  -  Kegelpressverband  -  Verbindung mit Spannelementen  Ringfederspannelemente  Zug- und Druckhülsen  Sternscheiben  -  Klemmverbindungen  -  Keilverbindungen  -  Schraubenverbindung  -  Pressverbindung mit gerändelter Welle 
• Erläutern Sie die Temperaturgrenzen in der Anwendung von zylindrischen Schrumpfverbänden -  Untere Grenze: Kältemittel (Flüssiggas) können nicht unter -170°C gekühlt werden  -  Obere Grenze: Kristallerholungstemperaturbei ca. 400°C 
• Nennen Sie die Kennzeichnung und die Vor- und Nachteile von Spannelementverbindungen. Kennzeichnung: Spannelemente erzeugen Passfugendruck durch Klemm-, Spreiz- oder Kipphebelwirkung  Vorteile: -  Kalt fügbar (Montierbar/Demontierbar)  -  Leicht fügbar und dann Schrauben anziehen  -  Keine extreme Genauigkeit in den Durchmessern erforderlich  -  Wiederholteil (Mehrere Lieferanten)  -  Dynamisch Belastbar  Nachteile:  -  Platz und Kosten für zusätzliches Element  -  Übertragungsfähigkeit etwas geringer als bei normalen Pressverband 
• Nennen Sie 3 Arten von Spannelementverbindungen. -  Ringfederspannelement  -  Zug- und Druckhülsen  -  Sternscheiben 
• Welche Art der Befestigung der Spannelemente ist günstiger, a) wellenseitig oder b) nabenseitig? Begründen Sie stichpunktartig Ihre Wahl Nabenbefestigung (b) ist besser, sonst Schwächung der Welle  Volumenanteil (Schrauben zu Umgebung) der Schrauben in der Nabe ist geringer als in der Welle (vorausgesetzt: Gleiche Schraubenzahl für Vorspannkraft) 
• Nennen Sie die Vor- und Nachteile von Keilverbindungen Vorteile: -  Schmutzunempfindlich  -  Einfaches Werkzeug  also  Landmaschinen  Nachteile: -  Umfangsspannung in Nabe kombiniert mit Kerbe 
• Warum sollte bei der Konstruktion einer Keilverbindung nie eine Mischung aus Form und Reibschluss angewandt werden? Begründen Sie stichpunktartig. Reibschluss führt zu Hoher Nabenbeanspruchung  Formschluss führt zu Hoher Kerbwirkung  Beides zusammen ist nicht ertragbar 
• Nennen Sie die Vor- und Nachteile von Schraubenverbindungen Vorteile: -  Weltweit Verfügbar  -  Geringe Beschaffungskosten  -  Lösbarkeit  -  Variationen der Vorspannkraft  Nachteile: -  Platzbedarf (auch für Montagewerkzeug)  -  Zusätzlicher Aufwand für Innengewinde  -  Zusätzlicher Aufwand für Maßnahmen gegen Losdrehen 
• In welchen 3 Anwendungsarten kommen Schrauben zum Einsatz Stellelement (Bewegungsschrauben) -  Überwiegend Kraftfrei  -  Bewegungswandlung  Arbeitselement (Bewegungsschrauben) -  Drehmoment, Hubkraft gut für Hohe Übersetzung  -  Bewegungswandlung  Verbindungselement (Befestigungsschrauben) -  Erzeugung von Vorspannkräften gut  für Reibung, Dichtkraft 
• Nennen Sie 3 Arten von Schrauben -  Durchsteckschrauben, Stiftschrauben, Sechskantschrauben, Dehnschraube

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