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Maschinenelemente 1 - Berechnungsgrundlagen

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Maschinenelemente 1

Berechnungsgrundlagen

 

Turbinenentwurf
Turbinenentwurf

 

 

 

Zu Beginn der Planung müssen die Ziele für die Gestaltung eines Maschinenbauteils festgelegt werden. Diese sind im ersten Moment rein qualitativer Natur:

  1. Die Funktion des Maschinenbauteils muss erfüllt sein.
  2. Das Maschinenbauteil muss herstellbar sein.

Um jedoch eine erfolgreiche Produktentwicklung und Konstruktion durchführen zu können, muss zudem 

  • eine eindeutige Funktionserfüllung, wie beispielsweise im Bereich der Sicherheit, gewährleistet sein.
  • ein eindeutiger Festigkeitsnachweis, wie beispielsweise für den Bereich der Haltbarkeit, vorliegen.

Um all diese und weitere Kriterien für das zu erstellende Maschinenbauteil erfüllen zu können, wird dieses schon im Entwurfsstadium einer funktionsgerechten, fertigungsgerechten, festigkeitsgerechten und werkstoffgerechten Versagensbetrachtung unterworfen. Innerhalb dieses Prozesses sind die zu erwartenden Beanspruchungs- und Betriebsbedingungen möglichst realitätsnah anzusetzen. 

Hierbei ist besonders das Verhalten unter mechanischen und thermischen Beanspruchungen von Interesse. Beide Beanspruchungsarten können mit Hilfe der Technischen Mechanik an einem Konstruktionsmodell berechnet werden. 

Gegenstand des rechnerischen Nachweises sind in den meisten Fällen:

  • Festigkeit gegen Bruch,
  • Formänderung,
  • Stabilität gegen Ausknicken,
  • Verschleiß und
  • Resonanz.

Merke

Wie Ihnen vielleicht gerade oder schon am Anfang des Kurses aufgefallen sein mag, tangiert die Maschinenlehre besonders andere Studienbereiche wie die Mathematik, die Werkstofftechnik, die bereits oben erwähnte Technische Mechanik und die Thermodynamik

Insgesamt erwartet der Maschinenbauingenieur von einem Bauteil, dass die ausgewählten Werkstoffe unter auftretenden Beanspruchungs- und Betriebsbedingungen nicht versagen. Ferner ist die Reduzierung des Fertigungsaufwandes und Werkstoffeinsatzes auf das Mindestmaß zur Aufrechterhaltung des Funktionssicherheit, auch unter ausgeprägten Wettbewerbsbedingungen, ein weiterer dominanter Aspekt in der konstruktiven Ingenieursarbeit. 

Aus diesem Grund sind Versagensbetrachtungen von zentraler Bedeutung und werden für zwei Aspekte in der Produktentwicklung heran gezogen:

1. Dimensionierung: Hierbei werden die Abmessungen bei der Gestaltung abgeschätzt, wobei eine starke Variation der Parameter, wie Geometrie, auftreten kann. 

2. Tragfähigkeitsnachweis: Hier wird an einer bereits gestalteten Konstruktion eine Kontrolle hinsichtlich Schwachstellen durchgeführt. 

Jede Versagensbetrachtung ist nur dann erfolgreich, wenn ausreichend genaue Kenntnisse über den auftretenden Beanspruchungszustand aus den äußeren Belastungen, sowie über das Werkstoffverhalten unter diesem Beanspruchungszustand vorliegen. 

Merke

Die Schwierigkeit liegt jedoch darin, dass der Ingenieur für den vorliegenden Konstruktionsfall einen mit mechanischen Mittel erfassbaren Fall, für den das Werkstoffverhalten bekannt ist, schaffen muss.

Daher stellt der Tragfähigkeitsnachweis die Grundlage der Berechnungsmethoden dar, auf dessen Kenntnissen dann die Dimensionierung erfolgen kann. 

In der nachfolgenden Abbildung sehen Sie ein typisches Schema für einen Konstruktionsablauf inkl. der Untersuchungskriterien an der jeweiligen Station:

Konstruktionsschema für ein Maschinenbauteil
Konstruktionsschema für ein Maschinenbauteil