3. Stütz- und Führungselemente

1. 3. Stütz- und Führungselemente 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. 3.1 Säulen, Betten, Gestelle WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Maschinentechnik – 3. Stütz- und Führungselemente

2. Gehäuse Kurbelgehäuse Rahmen Leiterrahmen Behälter für Flüssigkeiten / Gase WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Fach – X. Veranstaltung

3. Achsen sind Tragelemente innerhalb der Maschinen Seilrolle mit umlaufender Achse durch eine Planfeder verbunden Laufradachse eines Schienenfahrzeugs WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Fach – X. Veranstaltung

4. 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 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Fach – X. Veranstaltung

5. Radiallager 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- Lager längs zur Drehachse : Axial - Lager oder Längs - Lager kombiniert: Radiax - Lager Axiallager Axial-PendelrollerLager WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Fach – X. Veranstaltung

6. 2. Reibungsart: Gleit- und Wälzlager Allgemeine Berechnungsgleichungen : • : Reibungszahl FN : Normalkraft r : Radius des Lagerzapfens • v : Umfangsgechwindigkeit des Lagerzapfens • t : Zeit Reibungskraft : FR =  FN Reibungsmoment: MR = FR r Reibungsarbeit WR = FR v  t 3.2.1 Gleitlager: Bauformen Beschaffenheit • 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). WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Fach – X. Veranstaltung

7. Die Kraftverteilung wird auf der projizierten Fläche gleichmäßig angenommen (Flächenpressung ). • Der zulässiger Wert darf nicht überschritten werden, er bestimmt mit die erforderliche Lagergröße. • 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. • 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. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Fach – X. Veranstaltung

8. Verschleiß abhängig von der Werkstoffpaarung, Flächenpressung, Oberflächenbeschaffenheit, • Schmiermittel • Unterscheidung zwischen Einlaufverschleiß und Dauerverschleiß Gleitlager sind einfach im Aufbau und billig in der Herstellung. • Bauformen : Augenlager, geteilte Lager, Sinterlager • Sie werden bei Haushaltsmaschinen, im Gerätebau, bei Büromaschinen und Landmaschinen • angewendet Hydrostatische Lager Wirkprinzip: Zwischen Lagerschale und Wellenzapfen wird Schmiermittel gepumpt. Dadurch schwimmt der Zapfen im 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 ) WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Fach – X. Veranstaltung

9. 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. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Fach – X. Veranstaltung

10. 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: • Festkörperreibung • Mischreibung • Flüssigkeitsreibung, • so dass ein hydrodynamisch geschmiertes • Gleitlager beim An- und Auslaufen der Welle • nicht verschleißfrei arbeitet. Stribeck Kurven • Der Reibwert ist bei der Übergangs- • drehzahl zwischen Mischreibung und • Flüssigkeitsreibung am geringsten. Aus • Sicherheitsgründen wird die Betriebs- • drehzahl aber bedeutend größer gewählt. P: Lagerbelastung : Viskosität A: Ausklinkpunkte : Festkörperreibung WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Fach – X. Veranstaltung

11. 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. Arten Aufbau WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Fach – X. Veranstaltung

12. 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 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Fach – X. Veranstaltung

13. Aufgaben 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? A = b  d (projizierte Fläche des Lagers !) b = 31,25 mm b d 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 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Fach – X. Veranstaltung

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