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Maschinenelemente 1 - Normen und Normzahlen

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Maschinenelemente 1

Normen und Normzahlen

Inhaltsverzeichnis

Normen

Normen dienen der Vereinheitlichung von Gegenständen und Prozessen zum Nutzen der Allgemeinheit. Sie sorgen dafür dass Gegenstände austauschbar sind und auch nicht explizit beschriebene Eigenschaften zuverlässig vorhersehbar sind. In Deutschland werden Normen insbesondere vom Deutschen Institut für Normung (DIN), dem Verband Deutscher Elektrotechniker (VDE) und dem Verein Deutscher Ingenieure (VDI) herausgegeben.
International sind besonders die International Organization for Standardization (ISO) und die Electrotechnical Commission (IEC) relevant, die viele Nationale Normen übernehmen oder harmonisieren. Für Europa sorgt die Europäische Normeninstitution (EN), die aus den nationalen Normeninstituten der EU-Staaten besteht, dafür, dass mehrheitlich anerkannte Normen in alle nationalen Normenwerke übernommen werden. Normen, die sowohl national als auch international anerkannt sind, werden mit einer Kombination der entsprechenden Kürzel benannt, beispielsweise DIN-ISO oder DIN-EN-ISO.

Für Spezialgebiete gibt es eine Anzahl weiterer Organisationen, die Normen und Regelwerke erarbeiten und herausgeben, einige Beispiele: Die ACEA für den Automobilbereich, die DVGW für Gas- und Wasserinstallation, der DVS für Schweißtechnik, der VDG für Gießereitechnik.

Die Erstellung einer DIN-Norm kann von jedem beantragt werden. Fachnormenausschüsse bearbeiten den Entwurf einer Norm, der dann im DIN-Anzeiger für technische Regeln bekanntgegeben wird. Nach einer Einspruchsfrist, während der Änderungswünsche und Anregungen eingebracht werden können, und einer Überprüfung wird die Aufnahme in das deutsche Normenwerk veranlasst.

Generell sind sehr viele Fragen die bei der Konstruktion von Maschinen auftreten können in Normen schon geklärt, von der Beschaffenheit von Schrauben über den Ablauf von Entwicklungs- und Planungsprozessen bis hin zur Beschaffenheit und körperlichen Leistungsfähigkeit von Menschen, die die Maschinen hinterher bedienen sollen. Es ist daher während der Konstruktion sehr sinnvoll, die passenden Normen oder Normenauszüge vorliegen zu haben und den Bestand regelmäßig zu aktualisieren. Das spart Entwicklungsarbeit und verhindert, dass jeder "das Rad neu erfindet", also gestalterischer Wildwuchs entsteht. Auch wenn die Anwendung einer Norm nicht von der Verantwortung befreit, Konstruktionsentscheidungen fachlich solide zu begründen, hat der Verweis auf Normen als Entscheidungsgrundlage großes Gewicht.

Neben dem Beuth-Verlag, der die DIN-Normen herausgibt, gibt es auch Sammelwerke mit passend zusammengestellten Normauszügen und Erläuterungen wie das "Tabellenbuch Metall".


Normzahlen

Normzahlen dienen der Vereinfachung bei der Skalierung von Bauteilen und Baugruppen. Sie sind unter anderem in der DIN 323 beschreiben. Wenn eine ansonsten gleiche Konstruktion in einer Anzahl verschiedener Größen erstellt werden soll, kann der Umrechnungsaufwand und die Zahlenvielfalt durch die Anwendung von Normzahlen deutlich reduziert werden. Normzahlen sollten deshalb für die Größenstufung von mindestens den wesentlichen Längen, Flächen, Volumina, Kräften, Drücken, Momenten, Drehzahlen und Leistungen bevorzugt werden, wenn nicht besondere Gründe dagegen sprechen.

Normzahlen sind gerundete Glieder dezimal-geometrischer Reihen, die auf 10er-Potenzen basieren. Die Glieder einer Reihe mit der Stufenanzahl r unterscheiden sich um den Stufensprung q, der für die Grundreihen als r-te Wurzel von 10 definiert ist: $Rr = \sqrt[r]{10}$

Die üblichen Grundreihen Rr sind:

GrundreiheStufensprung
R5$q5 = \sqrt[5]{10} \simeq 1,6$
R10$q10 = \sqrt[10]{10} \simeq 1,25$ 
R20 $q20 = \sqrt[20]{10} \simeq 1,12$ 
R40$q40 = \sqrt[40]{10} \simeq 1,06$ 

Diese Festlegung führt dazu, dass der Absolutwert des Stufensprungs mit wachsender Größe der Stufe immer steigt. Das Ergebnis dieser Formeln wird üblicherweise gerundet, meist auf die 5 der zweiten Kommastelle. Die Reihe R5 lautet somit: 1,6, 2,5, 4,0, 6,3, 10.

Wenn die Stufenwerte einer feineren Reihe benötigt werden aber eine so feine Unterteilung nicht nötig ist, können Auswahlreihen gebildet werden. Dazu wird der Stufensprung potenziert um den Wert des Gliederabstands, der mit p bezeichnet wird, also wenn beispielsweise jedes dritte Glied benötigt wird ist der Stufensprung q³. Die Reihe wird dann Rq/p genannt. Auch zusammengesetzte Reihen sind möglich, wenn aufgrund des Bedarfs in verschiedenen Größenordnungen unterschiedliche Stufensprünge sinnvoll sind. So kann eine Baureihe mit R5 beginnen und nach einigen Elementen über R20/3 und R40/5 weiter gehen und dann mit R10 enden. Das würde gerundet die Reihe 10, 16, 25, 35,5, 47,5, 63, 80, 100, 125 ergeben, die in der Mitte eine feinere Teilung hat als an den Rändern. Auch absteigende Reihen mit p < 0 sind möglich.

Eine mit Normzahlen gut geplante Größenstufung ("Typung") von Konstruktionen ermöglicht eine gleichmäßige und lückenlose Abdeckung des Bedarfsfeldes ohne überflüssige Baugrößen.

  • Werden alle Längenabmessungen einer Konstruktion mit dem gleichen Stufensprung skaliert ist das Ergebnis geometrisch und mechanisch ähnlich, weil die Proportionen erhalten bleiben.
  • Ist der Startwert einer Größe eine Normzahl, entsprechen alle skalierten Werte nach diesem Verfahren ebenfalls Normzahlen.
  • Bei der Skalierung einer Konstruktion ist darauf zu achten, dass die Spannung im selben Querschnitt nach Skalierung der Kräfte und der Geometrie bei allen Größen ungefähr gleich ist, das Modellgesetz lautet in diesem Fall σ = konstant. So wird auch die Haltbarkeit aller Baugrößen gleich sein.

Für die Skalierung wird der Stufensprung auf alle Größen so angewendet, wie die physikalischen und geometrischen Zusammenhänge es mathematisch erfordern. Die Länge wird mit $q_L = qr$ multipliziert, die Fläche mit $q_L^2 = q_A$, das Volumen mit $q_L^3 = Q_V$, Normalkräfte gemäß $\sigma = \frac{F}{A}$ mit $q_A$ (proportional zur Fläche) und so weiter. Wird mit dynamischen Vorgängen gerechnet, ist der Stufensprung $q_t$ für die Skalierung der Zeit in die dynamischen Gleichungen einzubeziehen.