Grundlagen der Maschinenelemente: Toleranzen und Lager

Toleranzen und Messgenauigkeit

Es ist unmöglich, eine exakte Messung aufgrund der unvermeidlichen Ungenauigkeit von Maschinen zu erhalten. Damit ein Maß seinen Zweck erfüllt, genügt es, wenn die Grenzwerte zwischen zwei zulässigen Fällen liegen.

• Toleranz: Die Differenz zwischen dem maximalen und minimalen Umfang.
• Nennweite: Das Stück wird einer Nennweite zugewiesen, die als Basis dient. Dies sind in der Regel Ganzzahlen.
• Linea Zero (Nulllinie): Der Unterschied ist geradlinig und entspricht der Nennweite.
• Zero DS (Oberes Abmaß): Die Differenz zwischen dem maximalen Maß und dem Nennmaß.
• DI (Unteres Abmaß): Die Differenz zwischen der tatsächlichen Mindestweite und der Nennweite.
• Toleranzzone: Der Bereich zwischen den beiden Linien, welche die Grenzen der Toleranz und die Position definieren.
• Ebenso wirksam (Ist-Maß): Die Messung, die als tatsächliches Ergebnis erhalten wird.
• Eingriffsgrenzen: Die beiden extremen Maße eines Teils, zwischen denen die tatsächliche Größe liegen muss.

Passungssysteme und Funktion

Wenn zwei Stücke zusammengebaut werden müssen, ergibt sich ein Verhältnis aus der Differenz ihrer Maße.

• Welle: Ein Begriff, der alle Außenelemente eines Stücks beschreibt, auch wenn diese nicht zylindrisch sind.
• Bohrung (Hole): Jede interne Maßnahme an einem Stück, auch wenn diese nicht zylindrisch ist.
• Toleranzausgleich: Die Summe asymmetrischer Toleranzen.
• Spiel (Game): Die Differenz der Maße von Bohrung und Welle, wenn dieser Unterschied positiv ist.
• Übermaß (Verschärfung): Der absolute Wert der Differenz zwischen den Messungen der Bohrung und der Welle, wenn dieser Unterschied negativ ist.
• Jmin: Die Differenz zwischen dem minimalen Bohrungsdurchmesser und dem maximalen Wellendurchmesser.
• Amin: Wellenmaß.
• Jmax: Die Differenz zwischen dem maximalen Durchmesser der Bohrung und dem minimalen Durchmesser der Welle.
• Amax: Die negative Differenz zwischen dem minimalen und maximalen Durchmesser der Welle.

Achsen, Wellen und Lagerungen

Achsen und Wellen (Bäume)

Achsen (Axis): Achselemente dienen zur Unterstützung, drehen sich jedoch nicht mit der Welle mit. Wellen (Bäume): Als Wellen (Bäume) werden Maschinenelemente bezeichnet, die rotierende Körper unterstützen oder durch diese bewegt werden.

Lager und Medien

Sowohl Wellen als auch Achsen benötigen Stützpunkte; diese Stützpunkte werden Lager genannt. Lager werden nach ihrer Struktur in Buchsen (Gleitlager) und Wälzlager eingestuft. In Gleitlagern schlüpft die Drehachse in ihre Unterstützung. In Wälzlagern befinden sich Rollkörper zwischen der Welle und der Unterstützung, um die Reibung auf Rollreibung zu reduzieren.

Je nach Belastungsrichtung werden Lager wie folgt klassifiziert:

• Axiallager: Verhindern die Verschiebung in Längsrichtung.
• Radiallager: Verhindern Bewegungen in radialer Richtung.
• Mixed (Schräglager): Kombinieren beide Effekte gleichzeitig.

Wahl der Lagerart

• Für kleine Baugruppen werden typischerweise Kugellager verwendet.
• Für große Lasten und schwere Belastungen sollten Wälzlager (Rollenlager) verwendet werden.
• Schrägkugellager, Rollenlager und Kegelrollenlager eignen sich für radiale Belastungen und können gleichzeitig signifikanten Axialschub unterstützen.
• Zylinderrollenlager unterstützen große radiale Belastungen, aber keine axialen Kräfte.
• Axial-Kugellager unterstützen nur axiale Kräfte.
• Axial-Pendelrollenlager (Patella) können erhebliche axiale und radiale Belastungen aufnehmen.

Verbindungen und Kupplungen (Links)

Links: Dies sind koaxiale Elemente, die zur Übertragung von Bewegungen zwischen Wellen dienen.

Einstufung der Verbindungen (Links)

• Feste Verbindungen
• Kupplungen
• Mobile Verbindungen

Feste Verbindungen (Fixed Links)

Diese dienen dazu, Wellen dauerhaft zu vereinen, damit sie einander antreiben. Dies setzt voraus, dass ihre geometrischen Achsen exakt übereinstimmen. Die wichtigsten festen Verbindungen sind:

• Hülsenkupplung
• Elastische Reibkegel
• Link-Verkäufer
• Mesh-Platten

Elastische Kupplungen

Diese werden verwendet, um Wellen zu verbinden, deren Achsen perfekt ausgerichtet sind. Als elastische Materialien dienen Leder, Gummi, Baumwolle oder Metallfedern. Sie ermöglichen einen leicht progressiven Start. Die wichtigsten Typen sind:

• Verbindung mit Gummibuchsen.
• Star-Band-Kupplung: Sehr weich, für kleine Leistungen.
• Leder-Paket-Verbindung: Ermöglicht Drehmomentübertragung ohne axiale Verschiebung für kleine Kräfte.
• Periflex-Verbindung: Die Union wird durch einen Gummireifen mit Klemmen hergestellt; die Demontage ist einfach.
• Kupplungsfeder: Sehr elastisch, gleicht Ausrichtungsfehler aus.
• Sicherheitskupplung: Zwischen den Platten befinden sich feste Reibelemente mit hohem Reibungskoeffizienten.

Mobile Verbindungen (Mobile Links)

Diese erlauben Bewegungen der Wellen während des Betriebs. Die wichtigsten mobilen Links sind:

• Klauenkupplung: Gleicht Längenvariationen aus.
• Oldham-Kupplung: Wird für parallel versetzte Wellen verwendet und erlaubt kleine Querbewegungen.
• Kardangelenk: Ermöglicht die Kopplung bei eingeschlossenen Winkeln und Winkelverlagerungen.

Schaltbare Kupplungen und Sperrklinken

Eine Kupplung (Clutch) ist eine Komponente, die die Bewegung von einer Antriebswelle auf eine angetriebene Welle überträgt. Kupplungen können wie folgt unterschieden werden:

• Sofortiger Antrieb (Instant Pull)
• Progressiver Antrieb
• Automatik

Sofortiger Antrieb (Instant Pull)

Diese können im Ruhezustand ein- und ausgekoppelt werden. Die wichtigsten Arten sind:

• Peripheriezahnkupplung (beidseitig beweglich).
• Einseitig bewegliche Peripheriezahnkupplung.
• Vorderzahnkupplung (wenn die Geschwindigkeit reduziert ist).
• Zahnradkupplung (Innen- und Außenverzahnung).

Sperrklinken (Ratchets)

Sperrklinken sind Mechanismen, die die Rotation einer Welle in eine Richtung verhindern, während sie in die andere Richtung möglich ist. Eine Ratsche besteht aus einem schrägen Ritzel (Sperrrad) und einer Klinke (Uñeta). Sperrklinken werden häufig verwendet, um einen automatischen Fortschritt in zahlreichen Mechanismen zu gewährleisten.