Konstruktionsbücher – serie

Die Eigengesetzlichkeit der Feinwerktechnik und die zunehmende Bedeutung dieser Technik in der deutschen Industrie verlangen eine ausgiebigere Behandlung im Schrifttum, da die Konstruktionen der Feinwerktechnik anderen Bedingungen unterliegen als die des Maschinenbaues. Dem fühlbaren Mangel an Schrifttum kann in der Praxis nur durch die prak­ tische Wissensvermittlung in den Konstruktionsbüros begegnet werden. Die Not­ wendigkeit der Verbreitung konstruktiven Wissens hat man zwar längst erkannt, da aber eine Lehre vom Konstruieren fehlt und überdies Konstruieren eine Kunst ist, die nur zu einem kleinen Teil gelehrt werden kann, die Industrie als die Ver­ braucherin konstruktiven Könnens aber nicht auf die geniale Idee warten kann, sondern immer auf die Arbeit guter Konstruktionsingenieure angewiesen ist, muß alles getan werden, um diesen Konstruktionsingenieuren die Arbeit zu erleichtern und die Arbeit im Konstruktionsbüro zu rationalisieren. Dazu soll dieses Buch, soweit es in diesem bescheidenen Rahmen möglich ist, beitragen. Es soll keine umfassende Behandlung der Verbindungselemente der Feinwerk­ technik sein, sondern ist als Einführung in dieses Gebiet gedacht. Der Konstrukteur steht immer vor der Aufgabe, sich nach und nach die um­ fangreichen Erfahrungsschätze oft mühevoll erschließen zu müssen, um sie für die Praxis zu verwerten. Dabei soll ihm dieses Buch ein Helfer sein, dem Studie­ renden zur Einführung, dem tätigen Konstrukteur zur Anregung.

Unter einer Welle verstehen wir ein Maschinenelement von einer gewissen Längenausdehnung, das vornehmlich zur Übertragung eines Drehmomentes bzw. einer drehenden Bewegung dient. Neben diesen Hauptzweck treten verschiedene weitere Aufgaben und daraus resultierende Beanspruchungen. Die Wellen haben die Lasten von rotierenden Körpern der Maschinen zu tragen und weitere Quer­ kräfte aufzunehmen, die aus dem Aufbau und Zweck hervorgehen. Beispiele sind: die Gewichte der Rotoren von Turbinen und Elektromaschinen, von Schwung­ rädern, Zahnrädern und Seilscheiben, an denen außer den Eigengewichten Quer­ kräfte wie Strömungsdruck, Zahndruck, Seilzug usw. angreifen. In den meisten Fällen kommt den Wellen auch die Aufgabe zu, die Querkräfte auf die Lagerung zu übertragen; ein Teil ihrer Oberfläche dient dann als Lauffläche in den Lagern, sofern nicht besondere Lagerkörper, wie z. B. bei Wälzlagern, aufgesetzt sind. Zu den Querkräften gesellen sich oft noch erhebliche Kräfte in Längsrichtung; markante Beispiele sind die Druckwellen von Schiffsantriebs-Anlagen oder die Tragwellen von großen, senkrecht angeordneten Wasserturbinen. Die Lagerung der Welle muß dann an einer Stelle S.o ausgebildet werden, daß der Schub auf das ruhende Gestell übertragen, und die Welle in einer bestimmten Lage festgehalten werden kann.

Der Entwurf der Gassteuerung ist für den Motorenkonstrukteur eine besonders reizvolle Aufgabe. Wenn Hubraum, Zylinderzahl und Zylinderanordnung bei einem geplanten Motor festliegen, dann gibt es für das Triebwerk und die Zylinder­ konstruktion nicht allzu viele konstruktive Möglichkeiten, die Gassteuerung da­ gegen läßt dem Konstrukteur weiten Spielraum, hier kann er sein Können zeigen. Die Steuerung der Gase hat entscheidenden Einfluß auf die Leistung des Motors, seinen Raumbedarf, sein Geräusch und schließlich auch auf die Herstellungs­ kosten. Beim Rennmotor wird ohne Rücksicht auf Aufwand und Kosten auf das letzte Prozent Leistung ·wert gelegt, beim Gebrauchsmotor dagegen sind unter Verzicht auf Leistung vor allem die Herstellungskosten bestimmend. Jede Konstruktion stellt einen Kompromiß dar, die Kunst des Konstrukteurs ist es, die jeweiligen Gesichtspunkte, die sich meist nicht in Zahlen ausdrücken lassen, richtig abzuwägen und ein Optimum zu erzielen. Es hat z. B. keinen Zweck, den thermischen Wirkungsgrad um 1% zu verbessern und dabei vielleicht 5% am Liefergrad einzubüßen. Auch ist es sinnlos, die Steuerquerschnitte größer zu machen, als es zur guten Füllung des Zylinders bei den höchsten im Betrieb vor­ kommenden Drehzahlen nötig ist, wenn hierdurch Nachteile in Kauf genommen werden müssen. Eine schlechte Zugänglichkeit zu Stellen, die der häufigen War­ tung bedürfen, oder zu hohe Anforderungen an das Bedienungspersonal können einem guten Motor schlechten Ruf einbringen.

Welle-Nabe-Verbindungen gehören in der technischen Praxis zu den am häufigsten eingesetzten Maschinenelementen. Obwohl die Grundformen dieser Elemente seit vielen Jahrzehnten bekannt sind, wurde in den letzten 20 Jahren das technische Wissen über ihre Auslegung und ihre Einsatzmöglichkeit außerordentlich erweitert. Entscheidend hierfür ist vor allem, daß durch die Entwicklung der elektronischen Datenverarbeitung Probleme in Angriff genommen werden konnten, welche mit konventionellen Rechenverfahren nur schwer oder gar nicht lösbar waren. Dieser Zuwachs an Wissen hat jedoch nicht in vollem Maße Eingang in die praktische Konstruktionsarbeit gefunden. Dies liegt vor allem daran, daß für die Auslegung von Welle-Nabe-Verbindungen wichtige wissenschaftliche Erkenntnisse in zum Teil schwer zugänglichen Veröffentlichungen niedergelegt sind, die dem Konstrukteur nicht zur Verfügung stehen. Das vorliegende Buch soll einen Beitrag dazu leisten, diese neuen Erkenntnisse dem Konstrukteur zu vermitteln. Bei der Niederschrift dieses Buches habe ich daher zwei wesentliche, nicht leicht zu vereinbarende Ziele verfolgt. Einmal sollen dem Konstrukteur die für die Aus­ legung von Welle-Nabe-Verbindungen wichtigen Ergebnisse in einer Form angeboten werden, welche eine Umsetzung in die tägliche konstruktive Arbeit ermöglicht.

In diesem Buch wird beschrieben, wie Maschinen, Apparate und industrielle Anlagen zu gestalten sind, wenn ihre Instandhaltung möglichst problemlos und kostengünstig erfolgen soll. Diese Optimierungsaufgabe wird einerseits bestimmt durch die Anwendung des Methodischen Konstruierens und andererseits durch die Berücksichtigung üblicher wirtschaftlicher Randbedingungen. Der Darstellung der Grundlagen und Methoden des instandhaltungsgerechten Konstruierens folgen Ausführungen über die organisatorischen Voraussetzungen zur Anwendung der Methoden sowie Checklisten für die Praxis. Die beschriebenen Denkschemata gestatten es, allgemeine konstruktive Kenntnisse zielgerecht abzuwandeln und instandhaltungsgerechte Lösungen zu generieren, zu bewerten und auszuwählen. Der Hersteller maschinenbaulicher Produkte wird mit Hilfe dieses Buches seine Konkurrenzfähigkeit steigern, der Benutzer seine Anlagekosten (Anschaffung und Instandhaltung) senken können. Obwohl sich Text und Bilder vorrangig auf industrielle Anlagen beziehen, läßt sich die Vorgehensweise ebensogut auf Haushalts- oder elektrotechnische Geräte, auf Fahrzeuge oder Gebäude anwenden.

J. Das Wesen und die kennzeichnenden Eigenschaften der Federn Alle festen Körper besitzen mehr oder minder große Elastizität oder Fedrigkeit, d. h. das Bestreben, nach Verformungen, die sie unter der Einwirkung äußerer Kräfte erfahren haben, wieder ihre ursprüngliche Gestalt anzunehmen. In dieser Eigenschaft liegt das Wesen der Feder begründet. Als Federn im engeren Sinne sind Vorrichtungen anzusprechen, die durch zweck­ entsprechende Formgebung und Verwendung hochelastischen Baustoffes eigens da­ für geschaffen sind, vermöge ihrer elastischen Formänderung mechanische Arbeit in potentielle Energie umzuformen und wieder in mechanische Arbeit zurückzu­ verwandeln. Hieraus entspringt die Eignung der Federn zur Arbeitsspeicherung, zur Milderung von Stößen, zur Abfederung oder Steuerung bewegter Massen und, wegen der gesetzmäßigen Abhängigkeit zwischen Kraft und Formänderung, zur Kraftmessung. 11. Baustoffe und Bauarten Bauart und Baustoff richten sich in erster Linie nach dem Verwendungszweck. Der wichtigste Werkstoff ist Stahl von hoher Festigkeit. Besonderen Anforde­ rungen, wie Hitze- oder Korrosionsbeständigkeit, Antimagnetismus, geringer Wärmedehnung und Unabhängigkeit des elastischen Verhaltens von der Tempera­ tur kann man durch geeignete Zusammensetzung des Stahles Rechnung tragen. Ihnen werden zum Teil auch Federwerkstoffe wie Messing, Bronze und andere Le­ gierungen von Nichteisenmetallen gerecht. Daneben sind Federn im Gebrauch, welche die elastischen Eigenschaften nichtmetallischer Stoffe wie Gummi, Holz, Kork und Luft ausnutzen. Das vorliegende Buch behandelt lediglich Federn aus Metall und im besonderen aus Stahl. 1. Stahl. (Vornorm DIN 17220 enthält ein Verzeichnis aller Normen, die Feder­ stähle betreffen.) Stahl kann durchKaltverformen (Ziehen oder Walzen) oder durch Vergüten (d. h. Härten und Anlassen) auf Federhärte gebracht werden.

Mit dem vorliegenden Buch habe ich versucht, den Konstrukteuren und Stu­ dierenden einen möglichst umfassenden Überblick über die vielseitigen Fragen zu geben, welche sich bei der Auslegung eines Kettentriebs ergeben können. In allen Abschnitten, in denen dies geraten erschien, sind die behandelten Be­ rechnungsmethoden durch Zahlenbeispiele ergänzt. Die an den Abschnitt IV an­ geschlossenen Zahlenbeispiele können als Anhalt für die praktische Auslegung eines Kettentriebs dienen. Für den Praktiker dürften außerdem das zusammengestellte Zahlenmaterial und die im Abschnitt V gezeigten Fotografien ausgeführter Ketten­ triebe von Interesse sein. Aus der Vieleckwirkung der Kettenräder ergeben sich einige für Kettentriebe charakteristische Eigenschaften. So wird die Kinematik und Dynamik eines Ketten­ triebs durch die mit dem Ausdruck Vieleckwirkung umschriebenen Vorgänge maß­ geblich bestimmt. Es war daher unvermeidlich, in einigen Abschnitten auf diese Fragen näher einzugehen. Da jedoch bei der Wahl einer genügend großen Zähne­ zahl der Kettenräder die durch die Vieleckwirkung beeinflußten Probleme in den meisten Fällen ohne weiteres beherrscht werden können, wird dem eiligen Leser empfohlen, die Abschnitte III.B.2-7 zu überschlagen. Es ist mir bekannt, daß insbesondere in der Frage der für Kettentriebe wichtigen Verschleiß berechnung heute noch verschiedene Ansichten bestehen. Da aber keiner der bisherigen Vorschläge für eine Verschleiß berechnung für sich in Anspruch nehmen kann, diese schwierige Frage abschließend gelöst zu haben, und zudem zur Zeit noch umfangreiche Untersuchungen auf diesem Gebiet durchgeführt werden, habe ich mich entschlossen, die in DIN 8195 angegebene Methode der Verschleißberechnung im wesentlichen zuübernehmen.

Der Zweck dieses Buches ist es, die Berechnung und Beherrschung der bei Kolbenmaschinenanlagen besonders wichtigen Drehschwingungen einem größe­ ren Kreis zu ermöglichen. Es sollte nämlich bereits beim Entwurf einer Kolben­ maschinenanlage ihr Schwingungsverhalten ebenso sorgfältig überprüft werden wie z. B. das sichere Zusammenarbeiten aller Triebwerksteile oder die Wahl ge­ eigneter Werkstoffe. Das vorliegende Buch wendet sich vor allem an diejenigen, die sich erstmals mit Drehschwingungen befassen, mögen sie noch an technischen Schulen stu­ dieren oder schon im Berufsleben stehen. Der behandelte Stoff ist ein Teilgebiet meiner an der Technischen Hochschule Berlin gehaltenen Vorlesung über Maschinendynamik. Die Gliederung des Buches in drei Hauptabschnitte entstand nach Erfahrungen des Unterrichts. Der erste Abschnitt vermittelt Grundbegriffe der technischen Schwingungslehre und führt in die mathematische Behandlung von Drehschwingungssystemen ein. Im zweiten Abschnitt wird die Berechnung der Drehschwingungen in Kolbenmaschinen be­ handelt. Auf Ausführlichkeit in der Darstellung wurde in diesem Teil besonderer Wert gelegt. Im dritten Abschnitt wird auf die Gestaltung von Kolbenmaschinen­ anlagen im Hinblick auf Drehschwingungen eingegangen und es werden die Maßnahmen zur Vermeidung gefährlicher Schwingungen behandelt. Im Anschluß an die theoretischen Betrachtungen wird jeweils der praktische Rechnungsgang an einem Zahlenbeispiel erläutert. Mit diesem Buch, welches wohl alles vermittelt, was zur Beherrschung der Drehschwingungen in Kolbenmaschinenanlagen erforderlich ist, hoffe ich, den Bedürfnissen der Praxis weitgehend Rechnung zu tragen.

Das Buch bietet einen umfassenden Überblick über Zugmittelgetriebe. Die einzelnen Bauformen sind - entsprechend ihren physikalischen Grundlagen - in kraft- und formschlüssige Zugmittelgetriebe gegliedert. Aufbau und Funktion der Einzelelemente sowie das Betriebsverhalten werden beschrieben. Separat werden die Grundlagen für Berechnung und Konstruktion dargestellt, so daß der Konstrukteur in der Praxis schnell alle erforderlichen Daten und Hinweise erhält. Bei Bedarf kann er in den anderen Kapiteln sein Wissen vertiefen. Besondere Aufmerksamkeit wurde der praktischen Anwendung von Zugmittelgetrieben beim Bau stufenlos einstellbarer Getriebe - besonders wurde hier auf CVT-Getriebe eingegangen - gewidmet.

Dieser Buchtitel ist Teil des Digitalisierungsprojekts Springer Book Archives mit Publikationen, die seit den Anfängen des Verlags von 1842 erschienen sind. Der Verlag stellt mit diesem Archiv Quellen für die historische wie auch die disziplingeschichtliche Forschung zur Verfügung, die jeweils im historischen Kontext betrachtet werden müssen. Dieser Titel erschien in der Zeit vor 1945 und wird daher in seiner zeittypischen politisch-ideologischen Ausrichtung vom Verlag nicht beworben.