Grundlagen der Maschinenelementauslegung
Faktoren, die die Dauerfestigkeit beeinflussen
Fertige Oberfläche der Probe: Eine schlechte Oberflächenbeschaffenheit kann Spannungskonzentrationen verursachen, die zu Rissen führen und die Ermüdung beschleunigen. Der Korrekturfaktor Ka verringert die Dauerfestigkeit.
Größe der Probekörper
Bei Tests an Proben mit einem Durchmesser, der von der Norm (7,62 mm) abweicht, zeigt sich eine signifikante Reduktion der Dauerfestigkeit, insbesondere bei Biege- und Drehbelastungen. Für Proben mit einem Durchmesser d zwischen 2,79 und 51 mm gilt der Korrekturfaktor Kb = (d / 7,62)^-0,1133. Für größere Abmessungen variiert dieser Wert zwischen 0,6 und 0,75.
Konzentration der Spannungen
Im Allgemeinen verursachen Querschnittsänderungen ungleichmäßige Spannungsverteilungen. Die erhöhte Spannung hängt von der Art der Kerbe (Absatz, Loch etc.) ab und wird durch die Formzahl Kt definiert. Der Kerbwirkungsfaktor Kf wird berechnet als: Kf = 1 + q(Kt - 1), wobei q die Kerbempfindlichkeit des Materials beschreibt.
Weitere Einflussfaktoren
- Temperatur: Sinkende Temperaturen erhöhen die Dauerfestigkeit.
- Eigenspannungen: Zugspannungen verringern die Dauerfestigkeit, Druckeigenspannungen erhöhen sie.
- Fertigung: Fertigungsverfahren, Wärmebehandlung und Korrosion beeinflussen die Lebensdauer massiv.
Dauerfestigkeitsgrenze: Definiert als der Spannungswert, den das Material für eine spezifizierte Anzahl von Zyklen aushalten kann.
Schmierung
Die Wahl des Schmierstoffs hängt von den Betriebsbedingungen ab:
- Festschmierstoffe: Einsatz bei extremen Umweltbedingungen oder hohen Drücken.
- Flüssige Schmierstoffe (Öle): Hauptmerkmal ist die Viskosität, die je nach Drehzahl und Belastung gewählt wird.
Die Wahl des Schmiersystems hängt vom Schmierstoff, dem Maschinenelement und der erforderlichen Kühlung ab.
Flussdiagramm der Designphasen
Grundgleichungen der Maschinenelementauslegung
Die Auslegung erfolgt unter Berücksichtigung von Sicherheitsfaktoren (N) und Grenzwerten (Sf, Cf, SFAT, Cfat).
Konstante Belastung
Bei einachsiger Beanspruchung gilt: [(σ / Sf)^2 + (τ / Cf)^2]^0,5 = 1 / N.
Variable Belastung
Bei kombinierten Normal- und Schubspannungen wird die Gleichung unter Einbeziehung der Mittel- und Wechselspannungsanteile sowie der entsprechenden Sicherheitsfaktoren aufgestellt.
Prozess der Wellenauslegung
Materialauswahl → Belastungsdiagramm → Bestimmung der kritischen Position → Anwendung der Auslegungsgleichungen → Durchmesserbestimmung → Überprüfung der Dauerfestigkeit → Festlegung des Sicherheitsfaktors.
Energieaustausch in Bremsen und Kupplungen
Die bei der Betätigung entstehende Reibungswärme muss abgeführt werden. Die dissipierte Energie ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeitsdifferenz der Wellen und unabhängig vom Drehmoment.
Federbelastungen
- Zugfedern: Beanspruchung durch Torsion und Scherkräfte, an den Enden zusätzlich Biegung.
- Schraubendruckfedern: Belastung abhängig von der Bauart.
- Tellerfedern: Verhältnis von Belastung und Verformung hängt vom Seitenverhältnis h/t ab.
- Torsionsfedern: Das Material ist primär auf Biegung beansprucht.
Auswahl des Sicherheitsfaktors
Der Sicherheitsfaktor N wird berechnet, um Unsicherheiten bei der Lastannahme (ΔF/F) und bei den Materialeigenschaften (ΔC/C) zu kompensieren. Dies erlaubt dem Konstrukteur, globale Unsicherheiten systematisch in die Spezifikationen einzubeziehen.