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Springer Vieweg - Maschinenbau - Roloff Matek | Roloff Matek Maschinenelemente Journals, Academic Books & Online Media

Fragen zum Kapitel 8

Frage 8.1 

Welche Gewindearten eignen sich für Befestigungsschrauben bzw. Bewegungsschrauben? - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 8.1.2-1.

Antwort zur Frage 8.1 

Befestigungsschrauben sollen selbsthemmend sein. Daher sind Gewinde mit großen Flankenwinkeln und kleinen Steigungswinkeln günstig. Der Gewindegrund sollte rund gestaltet sein, um die Kerbwirkung klein zu halten. Gebräuchliche Gewinde sind: Metrisches ISO-Regel- und Feingewinde. - Bewegungsschrauben können selbsthemmendes oder nichtselbsthemmendes Gewinde haben. Für die Anwendung Umwandlung einer Längsbewegung in eine Drehbewegung ist nicht selbsthemmendes Gewinde erforderlich. Gebräuchliche Gewinde sind: Trapezgewinde (eingängig, selbsthemmend), Trapezgewinde (mehrgängig, nicht selbsthemmend), Sägengewinde (nur einseitig hoch beanspruchte Gewinde), Rundgewinde (bei rauem Betrieb mit stoßartigen Belastungen).

Frage 8.2 

Welche Gewinde werden für druckdichte Verschraubungen bei Rohren, Fittings und Armaturen verwendet? - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 8.1.2-1 und 18.3.2-3.

Antwort zur Frage 8.2 

Gewinde für druckdichte Verschraubungen bei Rohren, Fittings und Armaturen: Whitworth-Rohrgewinde DIN 2999 mit zylindrischem Innen- und kegeligem Außengewinde.

Frage 8.3 

Die nachfolgenden Gewinde-Kurzzeichen sind zu erläutern und das Profil zu skizzieren: S 40 x 14 P7, M36 x 2 –LH, Tr 44 x 7, G 1 1/2. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 8.1.2-1 und 8.1.2-2.

Antwort zur Frage 8.3 

S 40 x 14 P7: Metrisches Sägengewinde mit 40 mm Nenndurchmesser und 14 mm Steigung, zweigängig (14/7 = 2). - M36 x 2 - LH: Metrisches ISO-Feingewinde mit 36 mm Nenndurchmesser und 2 mm Steigung, als Linksgewinde ausgeführt (LH = Left-Hand). - Tr44 x 7: Metrisches ISO-Trapezgewinde mit 44 mm Nenndurchmesser und 7 mm Steigung. - G 1 1/2: Rohrgewinde mit Nennweite (Innendurchmesser) von 1 1/2 Zoll. Die Skizzen sind mit Lehrbuch Bild 8-2 e, b, d und c zu vergleichen.

Frage 8.4 

Was versteht man unter Selbsthemmung bei einem Gewinde und von welchen Einflussgrößen hängt sie ab? - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 8.5.5.

Antwort zur Frage 8.4 

Selbsthemmung liegt im Gewinde vor, wenn die Umwandlung einer Längsbewegung in eine Drehbewegung nicht möglich ist, z. B. die Spindel beim Scherenwagenheber durch das Gewicht des Autos nicht gedreht wird. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn gilt: Gewinde-Steigungswinkel φ ‹ Gewinde-Gleitreibungswinkel ρ´ (tan ρ´ = µ´).

Frage 8.5 

Was versteht man unter Differenzgewinde (Prinzip, Funktion, Anwendung)? - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 8.2.2, Bild 8-6, Zeile 8.

Antwort zur Frage 8.5 

Differenzgewinde s. Lehrbuch Bild 8-6, Zeile 8. - Prinzip: Die Gewindebolzen werden mit zwei Gewindeabschnitten gleicher Gangrichtung aber unterschiedlicher Steigung versehen. Die zwei zu verspannenden Teile erhalten Gewinde mit der Steigung des entsprechenden Gewindeabschnitts des Bolzens. Beim Verdrehen des Bolzens werden die Teile infolge der unterschiedlichen Steigungen zusammengedrückt. Je kleiner die Steigungsdifferenz, umso größere Spannkräfte sind bei gleichem Anziehmoment erreichbar. - Funktion: Verspannen von zwei Bauteilen so, dass Spannungsspitzen durch scharfe Kraftumleitung wie z.B. an den Kopf- und Mutterauflageflächen von Durchsteckschrauben vermieden wird. - Anwendung: Bei der Befestigung von Wendeschneidplatten, bei Pleuelverschraubungen, usw.

Frage 8.6 

Die Benennung der Schrauben erfolgt überwiegend nach den Merkmalen Gewinde und Kopf- bzw. Antriebsform. Zu nennen sind je zehn Kopfformen (z.B. Flachrundkopf), Antriebsformen (z.B. Innensechskant) und Schraubenarten (z.B. Vierkantschrauben). - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 8.1.3-1 mit TB 8-5.

Antwort zur Frage 8.6 

Kopfformen: Sechskantkopf, Zylinderkopf, Senkkopf, Flachrundkopf, Linsenkopf, Linsensenkkopf, Vierkantkopf, Flügel, Ring, Sechskantkopf mit Flansch. - Antriebsformen: Außensechskant, Vierkant, Innensechskant, Schlitz, Kreuzschlitz, Rändel, Ring, Flügel, Kreuzloch, Nuten. - Schraubenarten: Sechskantschrauben, Sechskant-Passschrauben, Zylinderschrauben mit Innensechskant, Rundkopfschrauben, Schlitzschrauben, Stiftschrauben, Gewindestifte, Bohrschrauben, Vierkantschrauben, Gewindefurchende Schrauben, Hammerschrauben.

Frage 8.7 

Folgende Normbezeichnungen sind zu erläutern und die Elemente außerdem zu skizzieren: Zylinderschraube ISO 4762-M12x55-10.9, Sechskantmutter ISO 4032-M16-8, Scheibe ISO 7090-16-200 HV - A2. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 8.1.3-4 und 8.1.4.

Antwort zur Frage 8.7 

Zylinderschraube ISO 4762-M12 x 55-10.9: Zylinderschraube mit Innensechskant nach DIN EN ISO 4762 mit hohem Kopf, Gewinde M12, Nennlänge 55 mm, aus Stahl mit Festigkeitsklasse 10.9. - Sechskantmutter ISO 4032-M16-8: Sechskantmutter nach DIN EN ISO 4032, Typ 1, mit Gewinde M16, Festigkeitsklasse 8. - Scheibe ISO 7090-16-200 HV - A2: Scheibe flach mit Fase nach DIN EN ISO 7090; normale Reihe; Produktklasse A; für Sechskantschrauben M16, Nenngröße: d = 16 mm (Loch­durch­messer 17mm); Härteklasse 200 HV; nichtrostender Stahl: A2. - S. Lehrbuch TB 8-5, 8-6, 8-7.

Frage 8.8 

Die bei Schraubenverbindungen auftretenden Kräfte und Verformungen lassen sich anschaulich im Verspannungsschaubild verdeutlichen. Darzustellen sind das Verspannungsschaubild rein qualitativ für den Montagezustand, das Verspannungsschaubild mit allen maßgebenden Kräften und Verformungen und ein Verspannungsschaubild, welches das Setzen veranschaulicht. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 8.3.1 und 8.3.2.

Antwort zur Frage 8.8 

S. Lehrbuch Bild 8-8, 8-22 und 8-16.

Frage 8.9 

Warum kann man mit Dehnschrauben eine höhere Dauerhaltbarkeit einer Schraubenverbindung erreichen als mit Schaftschrauben? - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 8.2.2.

Antwort zur Frage 8.9 

Dehnschrauben sind weicher als Schaftschrauben. Infolge der flacheren Kennlinie wird der Anteil der (dynamischen) Betriebskraft, der auf die Schraube wirkt, kleiner.

Frage 8.10 

Die Anziehverfahren für Schraubenverbindungen sind zu erläutern und hinsichtlich der Vorspannkraftstreuung zu vergleichen. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 8.3.5.

Antwort zur Frage 8.10 

Anziehen mit Schlagschraubern oder Impulsschraubern: Die Streuung der Vorspannkraft ist von der Anzahl der Einstellversuche und dem Spiel bei der Impulsübertragung abhängig, kA = 2,5…4. - Drehmomentgesteuertes Anziehen: Das Drehmoment wird mit einem anzeigenden oder signalgebenden Drehmomentschlüssel oder Drehschrauber mit dynamischer Drehmomentmessung aufgebracht. Bei versuchsmäßiger Bestimmung der Anziehdrehmomente am Originalbauteil ist kA = 1,4…1,6 , bei Abschätzung der Reibungszahl kA = 1,6…2,0 für Oberflächen mit µ = 0,04…0,1 bzw. kA = 1,7…2,5 für Oberflächen mit µ = 0,08…0,16. - Drehwinkelgesteuertes Anziehen: Die Schraubenverbindung wird zuerst auf ein Ausgangsdrehmoment vorgezogen, wobei die zu verschraubenden Bauteile zur Anlage kommen. Von dieser Drehmomentschwelle aus wird die Schraube um einen in Versuchen ermittelten Winkel bis in den überelastischen Be-reich weiterverdreht. Die Streuung der Montagevorspannkraft wird hierdurch nur durch Messungenauigkeiten verursacht, nicht durch die Gewinde- und Kopfreibung, kA = 1,2…1,4. - Streckgrenzgesteuertes Anziehen: Beim Anziehen wird das Verhältnis von Anziehdrehmoment zu Anziehdrehwinkel stetig gemessen. Bei Rückgang dieses Werts auf einen eingestellten Kleinstwert, das entspricht dem Überschreiten der Streckgrenze des Schraubenwerkstoffs, wird der Anziehvorgang beendet, kA = 1,2…1,4. - Thermisches Anziehen: In die Hohlschraube wird ein Heizstab gesteckt. Nach Erwärmung der Schraube auf eine berechnete Temperatur wird die Mutter mit Hand leicht angezogen. Die Torsionsbeanspruchung der Schraube entfällt, kA ≈ 1,2. - Hydraulisches Anziehen: Die Schraube wird mit einer speziellen Hydraulikmutter definiert gelängt. Die unter der Hydraulikmutter befindliche Mutter wird mit der Hand angezogen und anschließend die Hydraulikmutter entlastet und entfernt, kA = 1,2…1,6. - Längungsgesteuertes Anziehen mit Ultraschall: Der Schraubenkopf muss mit einem Sensor versehen sein, der auf dem Schraubenkopf verbleibt. Mit einem Spezialschlüssel wird die Längung der Schraube im unverspannten und verspannten Zustand mittels Ultraschall gemessen, kA = 1,05…1,2.

Frage 8.11 

Warum und wann müssen Schraubenverbindungen gesichert werden und wie lassen sich Schraubensicherungen hinsichtlich ihrer Funktion (Wirkprinzip) unterscheiden? - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 8.3.10.

Antwort zur Frage 8.11 

Schraubensicherungen sollen die Funktion einer Schraubenverbindung unter beliebig lange wirkender Beanspruchung erhalten. Die Sicherung von Schraubenverbindungen kann gegen Lockern, Losdrehen oder Verlieren erforderlich sein. In der Regel müssen nur in dynamisch längsbelasteten Verbindungen, sehr kurze Schrauben der unteren Festigkeitsklassen (≤ 6.8) und in dynamisch querbelasteten Verbindungen kurze bis mittellange Schrauben (lk/d ≤ 5) aller Festigkeitsklassen gegen Losdrehen oder Lockern gesichert werden. Eine Sicherung gegen Verlieren ist z. B. bei Schrauben in Getrieben erforderlich, damit diese nicht in das Getriebe fallen und Folgeschäden verursachen. - Nach der Funktion können Setzsicherungen, Losdrehsicherungen und Verliersicherungen unterschieden werden.

Frage 8.12 

Zu erläutern sind Sicherungselemente, die als Setzsicherung, Losdrehsicherung bzw. Verliersicherung geeignet sind. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 8.3.10.

Antwort zur Frage 8.12 

Setzsicherung: Federnde Sicherungselemente, die die plastischen Verformungen kompensieren können, z.B. Tellerfedern, Spannscheiben nach DIN 6796 und 6908, Kombischrauben nach DIN 6900 und 6901. - Losdrehsicherung: Klebstoffe können das Verdrehen der Schraube bei Beanspruchung quer zur Schraubenachse verhindern, Sperrzahnschrauben blockieren das bei Vibration entstehende innere Losdrehmoment. - Verliersicherung: Hierzu gehören formschlüssige Sicherungselemente, wie Kronenmuttern, Schrauben mit Splintloch, Scheibe mit Außennase nach DIN 432 und kraftschlüssige Sicherungselemente, die nicht von der Wirkung der Vorspannkraft abhängig sind, wie Muttern mit Klemmteil aus Kunststoff oder Metall, gewindefurchende Schrauben.

Frage 8.13 

Dynamische Querschwingungen können Schraubenverbindungen (z.B. an Schwingsieben und Waschmaschinen) zu Schwachpunkten einer Konstruktion werden lassen. Wieso können sich Schrauben selbsttätig losdrehen? Wie können Schrauben gegen Losdrehen wirksam gesichert werden? - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 8.3.10.

Antwort zur Frage 8.13 

Ein Losdrehmoment entsteht, wenn Schrauben quer zur Schraubenachse beansprucht werden und bei Vibration. Hierdurch wird die Selbsthemmung aufgehoben, die verhindert, dass die Vorspannung in der Schraube in eine Drehbewegung umgewandelt wird (Losdrehmoment > Reibmoment im Gewinde und in Kopfauflagefläche). - In den meisten Fällen ist bei hochfesten Schrauben eine ausreichende Vorspannung als Sicherung gegen Losdrehen ausreichend. Dynamisch querbeanspruchte Schrauben können wirksam gegen Losdrehen durch Klebstoff oder Verriegelungszähne oder Rippen an den Schrauben und Muttern gesichert werden

Frage 8.14 

Regeln für die fertigungsgerechte Gestaltung von Gewindeteilen sind zu erläutern. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 8.2.1.

Antwort zur Frage 8.14 

Bei der spanlosen Fertigung von Außengewinden (Gewindewalzen) ist ein Gewindeauslauf mit einem Innendurchmesser erforderlich, der kleiner als der Kerndurchmesser ist. So wird das Ausbrechen der Walze durch einseitige axiale Belastung einzelner Zähne vermieden. Wegen des Gewindebohreranschnitts erfordern Gewindegrundlöcher zusätzlich zur nutzbaren Gewindetiefe und als Späneauffangraum einen ausreichend tiefen Grundlochüberhang (Bohrung). Bei der Fertigung von großen Innengewinde-Grundlöchern erhält man durch Gewindefreistiche nach DIN 76 den erforderlichen Werkzeugauslauf. Gewindebohrungen müssen einen ausreichenden Abstand von Wandungen haben und dürfen nicht sehr schräg austreten. Ansonsten tritt eine einseitige Belastung auf, die zum Verlaufen oder gar Bruch des Werkzeugs führen kann.

Frage 8.15 

Es sind wirksame Maßnahmen zur Verbesserung der Dauerhaltbarkeit von dynamisch beanspruchten Schraubenverbindungen zu beschreiben. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 8.2.2.

Antwort zur Frage 8.15 

Erhöhung der Dauerhaltbarkeit der Schraube: Höhere Festigkeitsklasse wählen, Schlusswalzen des Gewindes, Gewindeauslauf gestalten (s. Lehrbuch Bild 8-5 Zeile 2). - Maßnahmen zur Erhöhung der Dauerhaltbarkeit der Verbindung: S. Lehrbuch Bild 8-6 Zeile 3, 6 und 10.

Frage 8.16 

Bei einer Verschraubung mit „normaler“ Mutter (Druckmutter) übernimmt der erste Gewindegang bis zu 34% der Gesamtbelastung. Zu skizzieren und zu erläutern sind zwei konstruktive Maßnahmen zur Verbesserung der Lastverteilung auf die Gewindegänge. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 8.2.2, Bild 8-6, Zeile 1.

Antwort zur Frage 8.16 

Die Muttern sind so zu gestalten, dass die ersten Gewindegänge elastischer als die nachfolgenden sind. S. Lehrbuch Bild 8-6 Zeile 1.

Frage 8.17 

Im Stahlbau werden zunehmend GV-Verbindungen eingesetzt. Wodurch unterscheiden sich diese grundsätzlich von SL-Verbindungen? - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 8.4.3.

Antwort zur Frage 8.17 

GV-Verbindungen: Die Verbindungen sind vorgespannt. Die Kraftübertragung erfolgt ausschließlich bzw. überwiegend durch „flächigen“ Reibungsschluss. - SL-Verbindungen: Die Schrauben sind nicht oder nur teilweise vorgespannt. Die Kraft­übertragung erfolgt durch Lochleibungsdruck und Abscherung.

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