Table Of ContentKonstruktionselemente des Maschinenhaues
Erster Tell
Tochtermann I Bodenstein
Konstruktionselem.ente
des Maschinenbaues
Entwerfen Gestalten Berechnen
Anwendungen
Achte neubearbeitete Auflage
F. Bodenstein
von
Erster Tell
(Kapitell-3)
Springer -Verlag Berlin Heidelberg New York 1968
Dipl.-Ing. FERDINAND BODENSTEIN
Professor an der Staatlichen Ingenieurschule Esslingen
Die friiheren Auflagen dieses Buohes erschienen unter dem Titel
"Maschinenelemente"
1. Auflage 19051
2. Auflage 1913 bearbeitet von H. KRAUSE
3. Auflage 1920
4. Auflage 1922 I
5. Auflage 1930
6. Auflage 1951 bearbeitet von W. TOCHTERMANN
7. Auflage 1956
ISBN'13: 978'3'540'04361'4 e'ISBN'13: 978'3'642'96051'2
DOl: 10.1007/978·3·642·96051·2
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in d1esem Buche berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der An
nahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetz
gebung als frei zu betrachten waren und daher vonjedermann benutzt werden di1r£ten
Titel-Nr. 1054
Vorwort zur achten Anflage
Die von meinem hochverehrten Kollegen, Herrn Professor W. TOCHTERMANN,
der leider schon am 28. Februar 1962 verstarb, zuletzt im Jahre 1956 herausgegebe
nen "Maschinenelemente" muBten mit seinem Einverstandnis eine griindliche Neu
bearbeitung erfahren. Die groBte Schwierigkeit bereitete dabei der Stoffumfang,
der zum Verzicht auf einige Sondergebiete zwang und eine Neugliederung erforder
lich machte; aus zeitlichen Griinden erfolgte eine Aufspaltung in zwei Teilbande
(Kapitell bis 3 und Kapitel 4 bis 6).
Da sowohl dem Charakter des TOCHTERMANNschen Buches als auch den Vor
bereitungen auf eine Konstruktionslehre durch ausfiihrliche Behandlung von Grund
lagen und Anwendungen Rechnung getragen wurde, erschien die Umbenennung
in "Konstruktionselemente des Maschinenbaues" angebracht, zumal viele Elemente,
wie Behalter, Rohrleitungen usw., zwar dem Sektor "Maschinenbau" angehoren,
nicht aber Teile einer "Maschine" im eigentlichen Sinne (vgl. FuBnote 4, Seite 4) sind.
1m iibrigen habe ich bei der Darstellung die bewahrten Grundsatze meines Vor.
gangers befolgt, wie sie im Vorwort zur siebenten Auflage (siehe Auszug) enthalten
sind. Den Weg zu eingehenderem Studium einzelner Elemente, insbesondere ihrer
theoretischen oder im Versuch ermittelten Unterlagen, sollen die zahlreichen Schrift
tums- und Quellenangaben in den unmittelbar an Ort und Stelle angebrachten Fu13-
noten weisen.
Dem Springer-Verlag bin ich fiir die vorbildliche Ausstattung und vor allem fUr
das verstandnisvolle Entgegenkommen in Terminfragen zu groBem Dank verpflichtet.
In gleicher Weise gilt mein Dank allen Finnen, die meine Arbeit durch "Oberlassung
von Zeichnungen und anderen Unterlagen unterstiitzten.
Esslingen, im Juni 1968
F. Bodenstein
Ans dem Vo rwort zur siebenten Anflage
Auf zahlreichen Gebieten des Maschinenbaus haben sich neue Erkenntnisse und
Anschauungen hinsichtlich zweckmaBigsten konstruktiven Aufbaus der einzelnen
M!1schinenelemente und ihrer Berechnung durchgesetzt. Besonders deutlich wurde
der FluB der Entwicklung auf dem Gebiet der Normung, das heute eine beherrschende
Bedeutung im Maschinenbau erlangt hat.
Es war das Bestreben des Verfassers, dem Fortschritt gerecht zu werden und
damit das Buch dem neuesten Stand der Technik anzupassen, fiiglich alles heute
Wichtige und Grundlegende zu erfassen und erschopfend darzulegen, dagegen
unwichtig Gewordenes und Veraltetes auszuschalten. Richtschnur war immer, groBt
mogliche Klarheit und "Obersicht in der Stoffbehandlung zu erreichen. Demzufolge
VI Aus dem Vorwort zur siebenten AufIage
wurden auch die wichtigsten Formeln besonders hervorgehoben und die Zahlentafeln,
die bisher den Anhang des Buches bildeten, in den zugehorigen Textteil eingereiht.
Vielseitigen Wiinschen entsprechend wurde der Abschnitt iiber das Dimensionieren
von Maschinenteilen breiter als bisher fundiert, was auch fiir die WiHzlager, die
Zahnrader und den Riementrieb notwendig war. Dabei wurde wieder auf die Durch
fiihrung moglichst vieler Rechenbeispiele besonderer Wert gelegt.
Dberall da, wo heute noch eine Vielfalt von Standpunkten und Auffassungen
beziiglich der Beurteilung und Erfassung verwickelter Vorgange besteht, ist versucht
worden, unter Hinweis auf die schwierigen wirklichen Verhaltnisse eine Darstellung
zu finden, die in verstandlicher Weise die von der Praxis gesuchte und verlangte,
durch die Erfahrung bestatigte Vereinfachung zeigt.
So hoffe ich, daB auch die siebente Auflage meiner Maschinenelemente einen
groBen Kreis junger und alter Schaffender und Suchender finden wird!
EBlingen, im Marz 1956
w.
Tochtermann
Inhaltsverzeichnis *
1. Grundlagen ............... . 1
1.1 Begriff der Konstruktionselemente . . . . 1
1.2 Konstruieren: Entwerfen und Gestalten . . 2
1.3 Die wichtigsten Vorbedingungen (Ubersicht) 3
1.4 Normung ................ . 5
1.5 Funktions- oder bedingungsgerechtes Gestalten . 21
1.6 Festigkeitsgerechtes Gestalten (Dimensionierung) 22
1. 7 StoHgerechtes Gestalten . . . . . . . 32
1.8 Fertigungsgerechtes Gestalten. . . . . 58
1.9 Zeitgerechtes Gestalten (FormschOnheit) 64
2. Verbindungselemente .. 65
2.1 SchweiBverbindungen 66
2.2 Lotverbindungen . . 81
2.3 Klebverbindungen . . . 84
2.4 ReibschluBverbindungen . 86
2.5 FormschluBverbindungen . 104
2.6 Nietverbindungen . . . . . 124
2.7 Schraubenverbindungen und Schraubgetriebe . 132
2.8 Elastische Verbindungen; Federn . . . . . . 178
3. Gehiiuse, Behiilter, Rohrleitungen und Absperrvorrichtungen . 206
3.1 Hohlraumformen und -begrenzungen 207
3.2 Verschliisse, Verbindungen und Dichtungen 214
3.3 Behalter des Kessel- und Apparatebaues 244
3.4 Rohrleitungen. . . . . . . . . . . . 252
3.5 Absperr-, Sicherheits- und Regelorgane 271
Sachverzeichnis . . . . . . 291
Inhalt des zweiten Telles
(Kapitel 4 - 6)
4. Elemente der dreh;mden Bewegung
Achsen. - Wellen. - Lager. - Kupplungen.
o.
Elemente der geradlinigen Bewegung
Paarung von ebenen Flachen. - Rundlingspaarungen.
6. Elemente zur tThertragung gleichformiger Drehbewegungen
Formschliissige Radergetriebe: Zahnradergetriebe. - Kraftschliissige Radergetriebe: Reib
radergetriebe. - Formschliissige Zugmittelgetriebe: Ketten- und Zahnriemengetriebe.
Kraftschliissige Zugmittelgetriebe: Riemen- und Rollenkeilkettengetriebe.
Sachverzeichnis
* Eine ausfiihrliche Gliederung ist jedem Kapitel vorangestellt.
1. Grundlagen
1.1 Begriff der Konstruktionselemente 1
1.2 Konstruieren: Entwerfen und Gestalten . . 2
1.3 Die wichtigsten Vorbedingungen (Ubersicht) 3
1.4 Normung . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4.1 Grundlagen der Normung .... . 5
1.4.2 Normzahlen, NormmaBe .... . 7
1.4.3 Oberflachenkennzeichnung und -giite II
1.4.4 Toleranzen. . . . . . . . . . . . 14
1.4.5 Passungen. . . . . . . . . . . . 17
1.5 Funktions- oder bedingungsgerechtes Gestalten. 21
1.6 Festigkeitsgerechtes Gestalten (Dimensionierung) 22
1.6.1 Grundlegende Begriffe . . . . . . . ., . 22
1.6.2 Ermittlung der auBeren Krafte und J\lIomente . 24
1.6.3 Dimensionierung auf Tragfahigkeit. " . 24
1.6.4 Dimensionierung auf Formsteifigkeit . . . . . 29
1.6.5 Dimensionierung auf Arbeitsverm6gen . . . . 31
1. 7 Stoffgerechtes Gestalten . . . . . . . . . . . . . • . . . . 32
1.7.1 Allgemeine Richtlinien fiir die Werkstoffwahl; wichtige Begriffe 32
1. 7.2 Stahl . . . . . . 35
1.7.3 EisenguBwerkstoffe 42
1.7.4 Leichtmetalle 46
1.7.5 Schwermetalle . . 47
1.7.6 Sinterwerkstoffe ... 53
1.7.7 Nichtmetallische Werkstoffe 54
1.8 Fertigungsgerechtes Gestalten. . 58
1.8.1 GieBverfahren . . . . .. .... 58
1.8.2 Umformverfahren (Schmieden, Pressen, Ziehen, Stanzen) 60
1.8.3 Spanloses Trennen . . . . . . . 61
1.8.4 Spanabhebende Verfahren. . . . 62
1.8.5 Zusammenbau . . . . . . . . . 63
1.9 Zeitgerechtes Gestalten (Formsch6nheit) 64
1.1 Begriff der Konstruktionselemente
Unter Konstruktionselementen sollen allgemein Bauteile des Maschinen-und Appa
ratebaus verstanden werden, die bei verschiedenen Geraten jeweils gleiche oder
ahnliche Aufgaben zu erfiillen haben und daher immer wieder in gleicher oder ahn
licher Form vorkommen. Je nach den zuerfiillenden Aufgaben handelt es sich dabei
um einzelne Bauteile (eigentliche "Elemente" wie Niete, Stifte, Bolzen, Achsen,
Wellen, Federn, Griffe, Handrader, Handkurbeln, Sicherungsringe, Splinte u. a.)
oder, was weit haufiger der Fall ist, um Bauteilgruppen, wobei zwei oder mehrere
Einzelteile funktionsmaBig zusammengehoren und nach dem Zusammenbau eine
Einheit bilden (Schraube-Mutter, Nut-Feder, Gleitstein-Fiihrung, Gelenke,
Lager, Kupplungen, Getriebe, Ventile, Schieber, Hahne usw.).
TochtermannjBodenstein, Konstruktionselemente I, 8. Aufl.
2 1. Grundlagen
Viele Bauelemente, insbesondere Einzelteile, wei sen auf Grund jabrelanger
konstruktiver Entwicklung und Vervollkommnung heute typische AusfUh
rungsformen auf, die die an sie gestellten Anforderungen am besten erfilllen; der
Konstrukteur braucht hierbei nur noch die erforderliche Typengrof3e zu bestimmen.
Bei den weitaus meisten Bauteilen, ihren Kombinationen und Anwendungen muB
jedoch erst aus den vielen sich bietenden Moglichkeiten die Bestlosung herausge
sucht und durchkonstruiert werden. Das im Ausbildungsbereich des Maschinenbaues
heute meist noch als Maschinenelemente bezeichnete Lehrfach bietet somit die erste
Gelegenheit zur Unterweisung im Konstruieren und stellt fiir die Praxis die Grund
lage zu jeder erfolgreichen Ingenieurtatigkeit dar.
1.2 Konstruieren: Entwerfen und Gestalten
Wer konstruieren will, muB (nach A. BOCKl) "ein technisches Gebilde (Gerat,
Apparat, Werkzeug, Vorrichtung, Anlage oder auch nur eine Baugruppe oder ein
Bauteil) schopferisch und liickenlos vorausdenken und alle zweckmaBigen Unter
lagen fUr seine stoffliche Verwirklichung schaffen" - unter Beriicksichtigung des
derzeitigen Standes der Technik. Am Anfang steht also die Idee oder die Aufgaben
stellung mit mebr oder weniger vielen Anforderungen, fiir deren Erfiillung meist
viele prinzipielle Losungsmoglichkeiten zur Verfiigung stehen. Das Auswahlen eines
Losungsweges und das Schaffen aller zweckmaBigen Unterlagen, die die Wirkungs
weise vollstandig erkennen lassen, stellen den ersten Teilabschnitt des Konstruierens
dar, den man Entwerfen nennt und das seinen AbschluB in einem "Entwurf" oder
einer geeigneten "Gestaltungsvorlage"2 findet. Bei dem dann folgenden oder bereits
schon nebenherlaufenden zweiten Teil des Konstruierens, dem Gestalten, erhalt
dann das technische Gebilde seine endgiiltige Form, und es werden die fUr die stoff
liche Verwirklichung notwendigen Unterlagen wie Zeichnungen und Listen zusam
mengestellt.
An eine Konstruktion, das Ergebnis des Konstruierens, werden sehr viele und
hohe Anforderungen gestellt, und man wird eine Beurteilung (Kritik) nach dem
Grad der V ollkommenheit, mit der die gestellten Forderungen erfiillt werden, vor
nehmen. Da sich die Forderungen haufig widersprechen, konnen sie nie alle voll
kommen erfiillt werden; jede Losung stellt einen KompromiB dar. Nach KESSEL
RINGs sind zwei Hauptgruppen von Forderungen und entsprechende "Wertigkeiten"
zu unterscheiden, namlich einmal in rein technischer Hinsicht (technische Wertig
keit) und dann in bezug auf die Wirtschaftlichkeit (wirtschaftliche Wertigkeit),
fUr die die Gestehungskosten einen MaBstab darstellen. Beide Gruppen sind eng
miteinander verkniipft und beeinflussen sich gegenseitig. Zu hoch gestellte technische
Anforderungen konnen nur durch groBen Aufwand, also hohe Kosten erfiillt werden;
andererseits ist es jedoch moglich, durch verbesserte Fertigungsverfabren, Ver
wendung geeigneter Vorrichtungen und Werkstoffe oder sonstige Rationalisierungs-
1 BOCK, A.: Die Begriffe Konstruieren, Entwerfen und Gestalten. Technik 10 (1955) 504-505.
2 HANSEN, F.: Kritische Betrachtungen zu haufig gebrauchten Begriffen der technischen
Entwicklung. Technik 10 (1955) 468-472. - Empfehlungen fUr Begriffe und Bezeichnungen
im Konstruktionsbereich (VDI-ADKI). Z. Konstr. 18 (1966) 390 391.
3 KESSELRING, F.: Konstruieren und Konstrukteur. VDI-Z. 81 (1937) 365-371. - KESSEL
RING, F.: Die starke Konstruktion. VDI-Z. 86 (1942) 321-330, 749-752. - KESSELRING, F.:
Bewertung von Konstruktionen, Diisseldorf: Deutscher Ing.-Verlag 1951. - KESSELRING, F.:
Technische Kompositionslehre, BerlinfGiittingenfHeidelberg: Springer 1954. - KRUMME, W.:
Konstruktionserfahrungen aus dem Maschinen- und Geratebau, Miinchen: Hanser 1951. -
VDI-Richtlinien 2225 (Mai 1964): Technisch wirtschaftliches Konstruieren. Bl. I Anleitung und
Beispiele, Bl. 2 Tabellenwerk.
1.3 Die wichtigsten Vorbedingungen (tJbersicht) 3
maBnahmen die Kosten wesentlich zu senken und trotzdem den Grad der technischen
Vollkommenheit zu steigern. Auf jeden Fall sind schon bei der Aufgabenstellung
die technischen Forderungen moglichst genau festzusetzen (s. auch Abschn. 1.5).
Beim Konstruieren kann man verschiedene Wege beschreiten: Der geiibte und
erfahrene Konstrukteur wird das Entwerfen naeh dem Gefilhl bevorzugen; der Anfanger
und Lernende neigt haufig zu einer Dberschatzung des Bereehnens; am unbestech
lichsten, aber meist zu teuer und zeitraubend ist der Weg des Versuehs, sei es am
Modell oder am naturgroBen Bauteil. Der letzte Weg ist gleichbedeutend mit dem
Sammeln von Erfahrungen, also von Feststellungen iiber Bewahren oder Versagen.
Diese sind letztlich fiir die Entwicklung, Anderungen, Verbesserungen und den
Erfolg entscheidend.
Die Bedenken gegen das Entwerfen nach dem Gefiihl bestehen darin, daB der
Konstrukteur schon einen reichen Erfahrungsschatz besitzen oder eine ausgesprochene
Begabung mitbringen muB. Die Schwierigkeiten des Berechnens liegen darin, daB
es meistens an unsichere Voraussetzungen gebunden ist, daB haufig stark verein
fachende Annahmen gemacht werden miissen und trotzdem die Rechnungen zu
verwickelt und zu umfangreich werden, so daB der Aufwand in keinem Verhaltnis
zum Erfolg steht. Dies ist besonders der Fall, wenn man die Abmessungen durch
Berechnen allein bestimmen will. Es ist oft wesentlich einfacher und daher sehr
zu empfehlen, zuerst zu entwerfen und dann naehzurechnen; ganz allgemein miissen
immer Entwerfen und Bereehnen nebeneinander hergehen.
Vor der Losung bestimmter konstruktiver Aufgaben ist es angebracht, das auf
dem betreffenden Gebiet bereits Vorhandene genau zu studieren und dessen Ent
wicklungsgang zu verfolgen, um den derzeitigen Stand der Technik zu erkennen
und die schon von anderen gemachten Erfahrungen zu nutzen. Auf dem Gebiet
der Maschinenelemente liegt eine Fiille bewahrter Konstruktionen vor, und es ist
eine wichtige Aufgabe fiir den Lernenden, genau zu priifen, warum die einzelnen
Teile gerade so gestaltet sind und inwieweit die gewahlten Ausfiihrungsformen die
gestellten Anforderungen erfiillen. Es ist fiir die spatere Tatigkeit im Konstruk
tionsbiiro sehr vorteilhaft, ja geradezu Voraussetzung, zu wissen, was es alles gibt,
wozu es dient und wie es zur Losung von anderen (groBeren) Aufgaben evtl. in
abgewandelter oder verbesserter Form verwendet werden kann.
1.3 Die wichtigsten Vorbedingungen (Ubersicht)
An oberster Stelle stehen bei allen einzelnen Punkten Sieherheit und Wirtsehaft
liehkeit. Die Sicherheitsfragen beziehen sich sowohl auf den Betrieb (Schutz gegen
Versagen), als auch auf die Handhabung und Bedienung (Arbeitssicherheit, Schutz
gegen Unfalle). Wirtschaftlichkeit ist das Bestreben, mit einem minimalen Aufwand
einen maximalen Erfolg zu erzielen. Zur Erfiillung dieser Hauptforderungen und
iiberhaupt zum erfolgreichen Konstruieren sind umfangreiche Kenntnisse und
Fahigkeiten auf vielen Gebieten erforderlich, von denen hier nur einige besonders
hervorgeho ben seien:
1. Zeiehnungswesen; zeichnerisches Konnen und Vorstellungsvermogen. Die
Zeichnung ist das wichtigste Ausdrucksmittel des Ingenieurs, sie stellt die wichtigste
Fertigungsunterlage dar und leistet dariiber hinaus auch bei Kalkulation, Vertrieb
und am Verwendungsort bei Aufstellung und Betrieb gute Dienste. In der fertigen
Zeichnung sind aIle Entwicklungsgedanken enthalten. Beim Anfertigen der Zeich
nung muB der Konstrukteur von den betreffenden Bauteilen, Geraten und Apparaten
schon eine genaue Vorstellung ihrer Gestalt, ihres Aussehens, ihrer Funktion und
ihrer Herstellung gehabt haben.
1*
