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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:  Fließbedingungen überschritten oder Eigenspannungen GEH ggf. in Kombination mit NSH
• Wie verhalten sich Werkstoffe in Abhängigkeit zur Temperatur?  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 αK und die Kerbwirkungszahl βK mathematisch definiert? Wovon sind αK und βK 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 Nachteile 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 Löten: Metall-Metall Kleben: beliebig-beliebig 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 Seite 100 http://www.konstruktionsatlas.de/verbindungstechnik/kleben/kleben_konstruktion.shtml
• 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 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 Biegung Flächenpressung 110-113
• 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. Überschreitung der zul. Flächenpressung p= F / ((h - t1) * lt) Abscheren τa   = ½ Fu /A = ½ Fu  / (b * lt)
• Nennen Sie 4 formschlüssige 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 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
• 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 hw  = wirksame Flankenhöhe b = tragende Breite der Verbindung φ = Traganteil
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• 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: Umfangsspannung in 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 FR = μh * FN
• 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: Kristallerholungstemperatur bei 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
• Nennen Sie die 5 Arten von Gewindeformen und deren primäre Anwendungsgebiete Flachgewinde Trapezgewinde (Für Bewegungsgewinde mit Last) Sägengewinde (Für Bewegungsgewinde mit einseitiger Last) Rundgewinde (Bei starker Verschmutzung) Spitzgewinde (Für Befestigungsschrauben)

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