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Maschinenelemente 1 - Pressverbindungen

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Maschinenelemente 1

Pressverbindungen

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Pressverbindungen entstehen durch das Fügen von Teilen. Beide Teile haben vor der Fügung ein Übermaß $\ Ü $, dh. ohne Krafteinwirkung lassen sich die beiden Bauteile nicht in eine Verbindung bringen. Dies erzeugt eine gleichmäßige Fugenpressung $ p_F $, die widerum eine Haftkraft enstehen lässt, die sich eignet wechselnde und stoßartige Drehmomente, sowie Längkräfte zu übertragen. 

Eigenschaften

Pressverbindungen haben die Eigenschaft, dass sie im Normalfall nicht zu lösen sind und nachträgliche Einstellungen nicht mehr vorgenommen werden können. Bereich in den Pressverbindungen häufig auftreten sind:

  • Schwungräder,
  • Riemenscheiben,
  • Lagerbuchsen, 
  • Kupplungen mit Wellen,
  • etc.

Nachfolgend sehen Sie einen kurzes Video eines Schwungrades, in welchem zwei unterschiedliche Pressverbindungen vorliegen:

Video: Pressverbindungen

Am Rad selber ist die Pressverbindung durch Keile realisiert worden und im Bild rechts wurde eine Aufweitung der Nabe, bzw. Schrumpfung der Welle zur Herstellung der Pressverbindung genutzt.

Kategorisierung

Die hauptsächlichen Vorteile einer Pressverbindung liegen in der kostengünstigen und einfachen Herstellung. Die Herstellung dieser Verbindungsart kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Besonders vier Verfahrenswege sind dabei zu nennen:

  • Aufschieben zylindrischer Teile mit gefertigten Übermaßen
  • Aufschieben kegeliger Teile
  • Fügen durch Temperaturdifferenzen (Schrumpfen)
  • Pressverbände (mit dem Montagemittel Öl)

Jeder dieser teilweise sehr unterschiedlichen Verfahrenswege hat gemein, dass das Ziel die Herstellung eines rotationssymetrischen Spannungszustandes ist.  

Möchte man eine andere Typisierung der Verbindungsart vornehmen, so kann man unterscheiden zwischen:

1. Längspressverbände: 

  • Fügung erfolgt durch Einpressen in Längsrichtung,
  • Hohe Presskräfte treten auf, 
  • Es kann zu Oberflächenbeschädigungen kommen,
  • Einmalige Montage,
  • Möglicher Übermaßverlust,
  • Einfache Einsatzfälle,
  • Nicht für zu hohe Momente geeignet.

2. Querpressverbände: 

  • Fügung erfolgt durch Schrumpfen der Welle [Abkühlen] oder Aufweiten der Nabe [Erwärmung]
  • Es wird warm gefügt oder es erfolgt eine Aufweitung mit Drucköl,
  • Hohe realisierbare Vorspannung,
  • Große Übertragungsfähigkeit von Momenten.

3. Ölpressverbände:

  • Fügung durch Öl, dass mit hohem Druck zwischen die meist sehr schwach kegeligen Fugenflächen gepresst wird. 
  • Eine Montage und anschließende Demontage ist möglich.

In der nachfolgenden Abbildung sehen Sie die Druckerzeugung bei einem Pressverband durch elastische Dehnung der mit einem Übermaß versehenden Teile. 

Erzeugung einer Pressverbindung
Erzeugung einer Pressverbindung

Berechnungen

In nächsten Schritt greifen wir ein wenig vor: Hat man die elastischen Dehnungen berechnet, so lässt sich daraus das erforderliche Übermaß zur Erreichung eines Passfugendrucks $ p $ ermitteln: 

Merke

Übermaß: $ S = p \cdot r_p \cdot { \frac{1}{E_N} \cdot [ \frac{1 + q_n}{1 - q_n} + \nu_N] + \frac{1}{E_W} \cdot [ \frac{1 + q_W}{1 - q_W} + \nu_W]} + \triangle S $

Da diese Gleichung ein wenig länger ist und viele Variablen beinhaltet, folgt nun eine Auflistung:

  • $ S = $ Übermäß $ \rightarrow $ Unterscheidung in  $ S_{erf} $ [Erforderliches Übermaß] und $ S_{zul} $ [Zulässiges Übermaß], dabei muss die Gleichung entsprechend angepasst werden mit $ p_{erf} $ [Erforderlicher Druck] und $ p_{zul} $ [Zulässiger Druck].
  • $ p = $ Passfugendruck.
  • $ r_p = $ Passfugenradius.
  • $ E_N $ = Elastizitätsmodul der Nabe.
  • $ E_W $ = Elastizitätsmodul der Welle.
  • $ q_N = (\frac{r_{iN}}{r_{aN}})^2 = $ Quotient aus Innenradius zu Außenradius zum Quadrat.
  • $ q_W = (\frac{r_{iW}}{r_{aW}})^2 = $ Quotient aus Innenradius zu Außenradius zum Quadrat.
  • $ \nu_N = $ Querkontraktionszahl der Nabe.
  • $ \nu_W = $ Querkontraktionszahl der Welle.
  • $ \triangle S = $ Übermaßverlust durch Glättung.

Beim Fügevorgang werden Oberflächenspitzen von Welle und Nabe eingeebnet. Dadurch entsteht ein Verlust an Übermaß, der aus praktischen Erfahrungen abgeschätzt werden kann, aber nicht vernachlässigt werden darf:

Merke

Übermaßverlust: $ \triangle S \approx 0,4 ( \cdot R_{z,Welle} + R_{z,Nabe} )$
  • $ R_z =$  gemittelte Rautiefe von Welle und Nabe $\approx 2 - 8  \mu m $