Konstruieren mit Kunststoffen:
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|---|---|
| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
München
Hanser
2008
|
| Edition: | 4. Aufl. |
| Subjects: | |
| Online Access: | Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis |
| Physical Description: | XV, 534 S. zahlr. Ill., graph. Darst. 25 cm 1 CD-ROM (12 cm) |
| ISBN: | 9783446416468 3446416463 |
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Vorwort zur vierten Auflage V
Zur Geschichte der Polymerwerkstoffe 1
1 Marktüberblick 3
1.1 Anwendungsbeispiele aus verschiedenen Branchen 6
1.1.1 Luft- und Raumfahrt 6
1.1.2 Feinwerktechnik 9
1.1.3 Fahrzeugbau 12
1.1.4 Allgemeiner Maschinenbau 17
1.1.5 Apparatebau 18
1.1.6 Bauwesen 21
1.2 Prognose 25
2 Struktur und Eigenschaften 35
2.1 Chemische Struktur (Konstitution) 35
2.1.1 Polymerisationsgrad - relative Molekülmasse 38
2.1.2 Homopolymerisation - Copolymerisation 42
2.2 Zwischenmolekulare Bindungsenergien (Nebenvalenzbindungen) 43
2.2.1 Wasseraufnahme bei Polyamiden 45
2.3 Räumliche Anordnung von Atomen und Atomgruppen im Molekül
(Konfiguration) 51
2.3.1 Taktizität 51
2.3.2 Verzweigung 52
2.3.3 Vernetzung 53
2.4 Aufbau von Polymersystemen 54
2.4.1 Homogene und heterogene Polymermischungen 54
2.4.2 Äußere Weichmachung 55
2.4.3 Füllung - Verstärkung 55
2.5 Morphologie (übermolekulare Strukturen) 58
2.5.1 Amorpher Gefügezustand 58
2.5.2 Kristalliner Gefügezustand 59
2.5.3 Anisotropie 64
2.5.3.1 Molekülorientierungen 64
2.5.3.2 Füllstofforientierungen 66
2.6 Thermisch-mechanische Zustandsbereiche 68
2.6.1 Thermoplaste mit amorpher Gefügestruktur 69
2.6.2 Thermoplaste mit teilkristalliner Gefügestruktur 70
2.6.3 Elastomere 70
2.6.4 Duroplaste 71
3 Kurzcharakterisierung wichtiger Polymerwerkstoffe für konstruktive
Anwendungen 73
3.1 Thermoplaste 73
3.1.1 Polymerblends 86
3.1.2 Funktionspolymere 89
3.2 Elastomere 96
3.3 Duromere 99
3.4 Verstärkungsfasern 103
3.4.1 Glasfasern 104
3.4.1.1 Herstellung und Verstärkungsformen von Textilglas 104
3.4.1.2 Glasarten und Fasereigenschaften 105
3.4.2 Kohlenstoff-Fasern 105
3.4.3 Aramidfasern 106
3.4.4 Metallfasern, Whisker, keramische Fasern 106
4 Eigenschaften - Werkstoffkennwerte - spezielle Prüfverfahren und
Verhaltensweisen 109
4.1 Verformungsverhalten unter uniaxialer, zügiger Zugbeanspruchung
(Spannungs-Dehnungs-Versuch) 109
4.1.1 Molekulare Verformungs- und Schädigungsmechanismen 109
4.1.2 Charakteristische Spannungs-Dehnungs-Kurven 111
4.1.3 Ermittlung von Spannungs-Dehnungs-Diagrammen und
Werkstoffkenndaten 112
4.1.4 Einfluss von Temperatur, Zeit und Feuchte
auf Spannungs-Dehnungs-Kurven 116
4.1.5 Mathematische Beschreibung von Spannungs-Dehnungs-Kurven 120
4.2 Verformungsverhalten unter uniaxialer, langzeitiger, statischer
Zugbeanspruchung (Zeitstand-Zug-Versuch) 120
4.2.1 Mathematische Beschreibung von Kriechkurven 122
4.3 Zähigkeit und Schlagzähigkeit 125
4.3.1 Zähigkeit aus dem Zugversuch 125
4.3.2 Zähigkeit aus dem Schlagbiegeversuch 125
4.3.3 Durchstoßversuch 128
4.4 Verhalten unter schwingender Beanspruchung 129
4.4.1 Ermittlung charakteristischer Ermüdungskennwerte 131
4.5 Querkontraktionszahl 134
4.6 Thermische Eigenschaften 137
4.6.1 Wärmedehnung 137
4.6.2 Formbeständigkeit 138
4.6.2.1 Elastizitätsmodul, Schubmodul als Funktion der
Temperatur 138
4.6.2.2 Wärmeformbeständigkeitstemperatur 139
4.6.2.3 Erweichungstemperatur 139
4.6.3 Thermische Alterung 139
4.6.3.1 Sicherheitstechnische Aspekte 144
4.6.4 Zusammenfassende Bewertung des Temperatureinflusses 145
4.7 Reibungs- und Verschleißverhalten 146
4.7.1 Grundlagen 147
4.7.1.1 Adhäsion und Oberflächenenergie von Festkörpern 149
4.7.1.2 Deformationen und Hysteresisverluste 154
4.7.1.3 Rahmenbedingungen für adhäsiv und deformativ
bedingtes Gleiten 155
4.7.2 Reibung und Verschleiß bei Polymerwerkstoff/Stahl-Paarungen 156
4.7.2.1 Einfluss der Oberflächenrauheit des Stahlpartners 158
4.7.2.2 Einfluss der relativen Molekülmasse 160
4.7.2.3 Einfluss des Feuchtegehalts im Polyamid 161
4.7.2.4 Einfluss energiereicher Bestrahlung 163
4.7.2.5 Einfluss der Bewegungsform und des Bewegungsablaufes .... 165
4.7.3 Reibung und Verschleiß bei Polymerwerkstoff/Polymerwerkstoff-
Paarungen 166
4.7.3.1 Gleitreibung 166
4.7.3.2 Gleitverschleiß 169
4.7.4 Zusammenfassung der Einflüsse von Werkstoffeigenschaften
auf Systemeigenschaften 169
4.7.5 Einfluss von Füll- und Verstärkungsstoffen 169
4.7.5.1 Einfluss von Fasern auf den Verschleiß 169
4.7.5.2 Einfluss von anderen, anorganischen Zusätzen 172
4.7.5.3 Einfluss von polymeren Zusätzen 174
4.7.5.4 Einfluss von polymeren und härteerhöhenden Zusätzen 175
4.7.5.5 Einfluss von Zusätzen auf amorphe Thermoplaste 177
4.7.6 Stick-Slip (Ruckgleiten) 177
4.7.6.1 Beeinflussung des Stick-Slip-Verhaltens durch Parameter
des Gleitsystems 179
4.7.7 Strahlverschleiß 181
5 Berechnen von mechanisch beanspruchten Strukturen an Beispielen
geometrisch einfacher Bauteile und statisch bestimmter Lastfälle 187
5.1 Werkstoff- und verarbeitungsspezifische Probleme 187
5.1.1 Verformungsverhalten unter uniaxialer, zügiger Zugbeanspruchung... 187
5.2 Festigkeitsnachweis 189
5.2.1 Grundsätzliches Vorgehen bei einer Festigkeitsbetrachtung 189
5.2.1.1 Dimensionierungskennwerte 190
5.2.1.2 Sicherheitsbeiwerte 192
5.2.1.3 Abminderungsfaktoren 192
5.2.2 Einachsiger Spannungszustand 193
5.2.2.1 Beispiel des dünnwandigen Rohres unter Innendruck 194
5.2.3 Mehrachsiger Spannungszustand 195
5.2.3.1 Versagenskriterien 196
5.2.3.2 Beispiele zum Belastungsfall der Scherung 198
5.3 Berechnung von Dehnungen und Verformungen 201
5.3.1 Linear-elastisches Materialverhalten 201
5.3.2 Nichtlinear-elastisches Materialverhalten 202
5.4 Spannungs- und Verformungsanalysen von biegebeanspruchten Strukturen
mit Hilfe einer einfachen FE-Betrachtung 207
5.5 Berechnung stoßartig beanspruchter Bauteile 209
5.6 Zur Berechnung von Faserverbund-Strukturen 210
5.6.1 Mechanische Eigenschaften von Laminaten 211
5.6.1.1 Verformungsverhalten unter uniaxaler Zugbeanspruchung,
Schädigungsgrenze 211
5.6.1.2 Grundelastizitätsgrößen einer UD-Schicht 211
5.6.1.3 Gemittelte Kennwerte von Mattenlaminaten 213
5.6.2 Berechnungsverfahren 215
5.6.2.1 Berechnung mit gemittelten Kennwerten 215
5.6.2.2 Kontinuumstheorie 216
5.6.2.3 Netztheorie 216
5.7 Rechnergestützte Entwicklung 216
5.7.1 CAD - Computer Aided Design 216
5.7.2 Rapid Prototyping 219
5.7.3 Rapid Tooling 220
6 Werkstoff- und beanspruchungsgerechte Konstruktion 223
6.1 Weiche Konstruktionen 223
6.1.1 Elastizitätsmodul 223
6.1.2 Flächenträgheitsmoment 224
6.1.3 Beanspruchungsart 225
6.2 Biegesteife Konstruktionen 227
6.3 Biegeweiche-torsionssteife Konstruktionen 229
6.4 Biegesteife-torsionsweiche Konstruktionen 230
6.5 Torsionsfeste, torsionssteife Konstruktionen 231
6.6 Biegesteife und torsionssteife Konstruktionen 233
6.7 Torsionsweiche Konstruktionen 234
6.8 Zugfeste-, zugsteife-torsionsweiche Konstruktionen 235
6.9 Schubfeste, schubsteife Konstruktionen 235
6.10 Drucknachgiebige und drucksteife Konstruktionen 236
6.11 Multifunktionale Konstruktionen 238
6.12 Wärmedehnungen und Wärmespannungen 240
6.13 Gelenkverbindungen 244
6.14 Kunststoff/Metall-Hybridkonstruktionen 247
7 Fertigungsgerechte Konstruktion 251
7.1 Formfüllung 251
7.1.1 Simulation des Füllvorgangs 253
7.1.2 Ursachen zur Entstehung von Orientierungen 255
7.1.2.1 Auswirkungen von Orientierungen 259
7.1.2.2 Beeinflussung von Orientierungen 260
7.1.3 Ursachen zur Entstehung von Bindenähten und Lufteinschlüssen 264
7.1.3.1 Auswirkungen von Bindenähten und Lufteinschlüssen 265
7.1.3.2 Beeinflussung von Bindenähten und Lufteinschlüssen 267
7.2 Abkühlung und Erstarrung 273
7.2.1 Abkühlgeschwindigkeit 273
7.2.1.1 Auswirkungen der Abkühlgeschwindigkeit 273
7.2.1.2 Beeinflussung der Kühlgeschwindigkeit 274
7.2.2 Maßänderungen und Toleranzen 277
7.2.2.1 Schwindung 277
7.2.2.2 Nachschwindung 279
7.2.2.3 Toleranzen 279
7.2.3 Verzug 284
7.2.3.1 Ursachen für Verzug 284
7.2.3.2 Beeinflussung von Verzug 286
7.3 Entformung 289
7.3.1 Entformungsschräge 292
7.3.2 Entformung von Hinterschneidungen 292
7.3.2.1 Zwangsentformung 292
7.3.2.2 Werkzeugtechnische Maßnahmen 293
7.3.2.3 Schmelzkerne 295
7.3.3 Vermeiden von Hinterschneidungen 297
7.3.3.1 Änderungen des Designs 297
7.3.3.2 Durchtauchende Kerne (Durchblocken) 297
7.3.3.3 Mehrteilige Ausführungen 299
7.4 Mehrkomponenten-Spritzgießen 301
7.4.1 Zweifarbenspritzguss 302
7.4.2 Hart-Weich-Kombinationen 306
7.4.3 Gasinjektionstechnik (GIT) 311
7.4.4 Wasserinjektionstechnik (WIT) 317
7.4.5 Gasaußendrucktechnik (GAT) 317
8 Biegeelemente 321
8.1 Schnappverbindungen 321
8.1.1 Schnapphaken 327
8.1.1.1 Formvarianten 327
8.1.1.2 Berechnung 330
8.1.1.3 Zusatzfunktionen 331
8.1.2 Torsionsschnappverbindung 334
8.1.2.1 Formvarianten 334
8.1.2.2 Berechnung 335
8.1.3 Ringschnappverbindung 336
8.1.3.1 Formvarianten 336
8.1.3.2 Berechnung 337
8.1.3.3 Zusatzfunktionen 339
8.1.4 Segmentierte Ringschnappverbindung 341
8.1.4.1 Formvarianten 341
8.1.4.2 Berechnung 341
8.1.4.3 Zusatzfunktionen 342
8.2 Federelemente 344
8.2.1 Federn aus thermoplastischen Polymerwerkstoffen 344
8.2.1.1 Biegefeder 344
8.2.1.2 Zugfedern 346
8.2.1.3 Druckfedern 346
8.2.1.4 Drehfedern 350
8.2.2 Federn aus Faser-Kunststoff-Verbunden (GFK, CFK) 351
8.2.2.1 Blattfedern 351
8.3 Filmscharniere und Filmgelenke 354
8.3.1 Herstellung 354
8.3.1.1 Spritzgießen 354
8.3.1.2 Blasformen 357
8.3.1.3 Prägen 357
8.3.2 Gestaltung 358
8.3.3 Werkstoffe 359
8.3.4 Berechnung 360
8.3.4.1 Berechnung der Filmlänge und Filmdicke 361
8.3.5 Anwendungsbeispiele 363
8.3.5.1 Deckel/Gehäuseverbindungen 363
8.3.5.2 Vereinfachte Herstellung 364
8.3.5.3 Montagehilfe oder unverlierbare Anbindung 369
8.3.5.4 Dynamisch beanspruchte Filmgelenke 369
8.3.5.5 Bistabile Gelenke 370
9 Schraubverbindungen 375
9.1 Geformtes oder spanend gefertigtes Gewinde 376
9.1.1 Schrauben aus Polymerwerkstoff 376
9.1.2 Spritzgegossene, blasgeformte, spanend gefertigte Gewinde 378
9.1.3 Bewegungsgewinde 380
9.2 Gewindeeinsätze 381
9.2.1 Umspritzte Gewindebuchsen 381
9.2.2 Mit Ultraschall eingebettete Gewindebuchsen 381
9.2.3 Eingepresste Gewindebuchsen 382
9.2.4 Spreizeinsätze (Expansionseinsätze) 382
9.2.5 Eingeschraubte Einsätze 383
9.2.6 Einsätze aus Polymerwerkstoffen 383
9.2.7 Vergleichende Bewertung der verschiedenen Einsätze 383
9.2.8 Verhalten unter dynamischer Belastung 387
9.3 Gewindeformende Schrauben 387
9.3.1 Schraubenformen und -geometrien 387
9.3.1.1 Flankenwinkel 389
9.3.1.2 Selbsthemmung 389
9.3.2 Gestaltung des Einschraubauges (Tubus) 389
9.3.2.1 Einschraubtiefe 390
9.3.2.2 Kernlochdurchmesser 390
9.3.2.3 Entlastungsbohrung 391
9.3.2.4 Außendurchmesser 391
9.3.3 Berechnung von Kenngrößen einer Schraubverbindung 393
9.3.3.1 Eindrehmoment 393
9.3.3.2 Überdrehmoment 395
9.3.3.3 Auszugkraft 395
9.3.3.4 Anziehmoment und Vorspannkraft 396
9.3.3.5 Montagebedingungen 398
10 Rippenkonstruktionen 399
10.1 Vergleich mit anderen Versteifungsmaßnahmen 399
10.1.1 Erhöhung des Elastizitätsmoduls 399
10.1.2 Vergrößerung der Wanddicke 400
10.1.3 Sicken 401
10.2 Allgemeine Aspekte zur Rippenversteifung 402
10.2.1 Rippenhöhe 402
10.2.2 Rippenlage 403
10.2.3 Rippenanzahl (Werkstoffaufwand) 405
10.2.4 Einspannung 407
10.3 Gestaltungsregeln für spritzgegossene Verrippungen 408
10.3.1 Rippendicke 408
10.3.2 Kühlzeit 409
10.3.3 Anspritzrichtung 410
10.3.4 Rippenkreuzungspunkte (Knoten) 412
10.4 Gestaltungsregeln für Rippen nach den GID-Verfahren 413
10.5 Gestaltungsregeln für blasgeformte Rippen und Sicken 414
10.5.1 Blasgeformte Sicken 415
10.5.2 Blasgeformte Rippen 416
10.6 Gestaltungsregeln für gepresste Rippen 417
10.6.1 Handwerkliche Verarbeitung (Handlaminierverfahren) 418
10.6.2 Pressverfahren 418
11 Zahnräder 421
11.1 Berechnung der Zahn- und Flankentemperatur von Stirnrädern 423
11.1.1 Blok sche Blitztemperaturhypothese 424
11.1.2 Temperaturrechnung nach Takanashi 424
11.1.3 Temperaturrechnung nach Hachmann und Stricki.k 427
11.1.4 Vergleich der Temperaturberechnungsverfahren 428
11.1.5 Optimierte Temperaturrechnung 429
11.1.5.1 Temperaturmessungen an Kunststoff/Stahl-Paarungen
nach |11.12] 429
11.1.5.2 Temperaturmessungen an Kunststoff/Kunststoff-Paarungen
nach [ 11.36] 432
11.1.5.3 Relative Einschaltdauer 432
11.1.5.4 Optimierte Zahlenwertgleichung 433
11.2 Berechnung der Tragfähigkeit 435
11.2.1 Zahnschäden 435
11.2.2 Allgemeine Kenngrößen 436
11.2.3 Berechnung der Zahnfußtragfähigkeit 437
11.2.4 Berechnung der Zahnflankentragfähigkeit 444
11.2.5 Berechnung der Zahnverformung 450
11.3 Gestaltung 453
11.3.1 Spritzgießen 453
11.3.2 Spanende Herstellung 456
11.3.3 Wellen-/Naben-Verbindung 457
11.3.3.1 Reibschlussverbindung 458
11.3.3.2 Formschlussverbindung 460
11.3.3.3 Vorgespannter Formschluss 462
12 Gleitlager 467
12.1 Gleitlagerschäden 470
12.2 Berechnung der Belastbarkeit 471
12.2.1 Berechnung der mittleren Lagertemperatur 471
12.2.2 Berechnung der Gleitflächentemperatur 474
12.2.3 Statische Belastbarkeit 475
12.2.3.1 Beanspruchung des Lagerwerkstoffs 475
12.2.3.2 Deformation der Lagerschale 479
12.2.4 Dynamische Belastbarkeit 483
12.2.4.1 Dauerbetrieb 483
12.2.4.2 Aussetzbetrieb 484
12.2.4.3 Verschleiß 485
12.3 Gestaltung 487
12.3.1 Lagerspiel 487
12.3.2 Wanddicke 490
12.3.3 Herstellung 490
12.3.4 Gestaltungsbeispiele 490
13 Laufrollen und Laufräder 493
13.1 Rollenschäden 494
13.2 Berechnung der Tragfähigkeit 496
13.2.1 Pressungskennwert als näherungsweise Bemessungsgrenze 496
13.2.2 Deformation unter statischer Last 500
13.2.3 Dynamisch beanspruchte Laufrollen 505
13.2.3.1 Frei laufende Rollen (ohne Antrieb) 506
13.2.3.2 Angetriebene Rollen 511
14 Anleitungen zur Bedienung der Rechenprogramme 517
14.1 Anleitung zur Berechnung von Biegeelementen mit dem Programm BEAMS . 517
14.1.1 Berechnung der Verformung unter kurzzeitiger Lasteinwirkung 517
14.1.2 Berechnung der Verformung unter langzeitiger Lasteinwirkung 519
14.1.3 Berechnung der Relaxation unter langzeitiger Lasteinwirkung 520
14.2 Anleitung zur Berechnung von Schnappverbindungen mit dem Programm
SNAPS 520
14.3 Anleitung zur Berechnung von Schraubverbindungen mit dem Programm
SCREWS 522
Anhang 525
Polymerwerkstoffe und ihre Kurzzeichen 525
Index 527
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Inhalt
Vorwort zur vierten Auflage V
Zur Geschichte der Polymerwerkstoffe 1
1 Marktüberblick 3
1.1 Anwendungsbeispiele aus verschiedenen Branchen 6
1.1.1 Luft- und Raumfahrt 6
1.1.2 Feinwerktechnik 9
1.1.3 Fahrzeugbau 12
1.1.4 Allgemeiner Maschinenbau 17
1.1.5 Apparatebau 18
1.1.6 Bauwesen 21
1.2 Prognose 25
2 Struktur und Eigenschaften 35
2.1 Chemische Struktur (Konstitution) 35
2.1.1 Polymerisationsgrad - relative Molekülmasse 38
2.1.2 Homopolymerisation - Copolymerisation 42
2.2 Zwischenmolekulare Bindungsenergien (Nebenvalenzbindungen) 43
2.2.1 Wasseraufnahme bei Polyamiden 45
2.3 Räumliche Anordnung von Atomen und Atomgruppen im Molekül
(Konfiguration) 51
2.3.1 Taktizität 51
2.3.2 Verzweigung 52
2.3.3 Vernetzung 53
2.4 Aufbau von Polymersystemen 54
2.4.1 Homogene und heterogene Polymermischungen 54
2.4.2 Äußere Weichmachung 55
2.4.3 Füllung - Verstärkung 55
2.5 Morphologie (übermolekulare Strukturen) 58
2.5.1 Amorpher Gefügezustand 58
2.5.2 Kristalliner Gefügezustand 59
2.5.3 Anisotropie 64
2.5.3.1 Molekülorientierungen 64
2.5.3.2 Füllstofforientierungen 66
2.6 Thermisch-mechanische Zustandsbereiche 68
2.6.1 Thermoplaste mit amorpher Gefügestruktur 69
2.6.2 Thermoplaste mit teilkristalliner Gefügestruktur 70
2.6.3 Elastomere 70
2.6.4 Duroplaste 71
3 Kurzcharakterisierung wichtiger Polymerwerkstoffe für konstruktive
Anwendungen 73
3.1 Thermoplaste 73
3.1.1 Polymerblends 86
3.1.2 Funktionspolymere 89
3.2 Elastomere 96
3.3 Duromere 99
3.4 Verstärkungsfasern 103
3.4.1 Glasfasern 104
3.4.1.1 Herstellung und Verstärkungsformen von Textilglas 104
3.4.1.2 Glasarten und Fasereigenschaften 105
3.4.2 Kohlenstoff-Fasern 105
3.4.3 Aramidfasern 106
3.4.4 Metallfasern, Whisker, keramische Fasern 106
4 Eigenschaften - Werkstoffkennwerte - spezielle Prüfverfahren und
Verhaltensweisen 109
4.1 Verformungsverhalten unter uniaxialer, zügiger Zugbeanspruchung
(Spannungs-Dehnungs-Versuch) 109
4.1.1 Molekulare Verformungs- und Schädigungsmechanismen 109
4.1.2 Charakteristische Spannungs-Dehnungs-Kurven 111
4.1.3 Ermittlung von Spannungs-Dehnungs-Diagrammen und
Werkstoffkenndaten 112
4.1.4 Einfluss von Temperatur, Zeit und Feuchte
auf Spannungs-Dehnungs-Kurven 116
4.1.5 Mathematische Beschreibung von Spannungs-Dehnungs-Kurven 120
4.2 Verformungsverhalten unter uniaxialer, langzeitiger, statischer
Zugbeanspruchung (Zeitstand-Zug-Versuch) 120
4.2.1 Mathematische Beschreibung von Kriechkurven 122
4.3 Zähigkeit und Schlagzähigkeit 125
4.3.1 Zähigkeit aus dem Zugversuch 125
4.3.2 Zähigkeit aus dem Schlagbiegeversuch 125
4.3.3 Durchstoßversuch 128
4.4 Verhalten unter schwingender Beanspruchung 129
4.4.1 Ermittlung charakteristischer Ermüdungskennwerte 131
4.5 Querkontraktionszahl 134
4.6 Thermische Eigenschaften 137
4.6.1 Wärmedehnung 137
4.6.2 Formbeständigkeit 138
4.6.2.1 Elastizitätsmodul, Schubmodul als Funktion der
Temperatur 138
4.6.2.2 Wärmeformbeständigkeitstemperatur 139
4.6.2.3 Erweichungstemperatur 139
4.6.3 Thermische Alterung 139
4.6.3.1 Sicherheitstechnische Aspekte 144
4.6.4 Zusammenfassende Bewertung des Temperatureinflusses 145
4.7 Reibungs- und Verschleißverhalten 146
4.7.1 Grundlagen 147
4.7.1.1 Adhäsion und Oberflächenenergie von Festkörpern 149
4.7.1.2 Deformationen und Hysteresisverluste 154
4.7.1.3 Rahmenbedingungen für adhäsiv und deformativ
bedingtes Gleiten 155
4.7.2 Reibung und Verschleiß bei Polymerwerkstoff/Stahl-Paarungen 156
4.7.2.1 Einfluss der Oberflächenrauheit des Stahlpartners 158
4.7.2.2 Einfluss der relativen Molekülmasse 160
4.7.2.3 Einfluss des Feuchtegehalts im Polyamid 161
4.7.2.4 Einfluss energiereicher Bestrahlung 163
4.7.2.5 Einfluss der Bewegungsform und des Bewegungsablaufes . 165
4.7.3 Reibung und Verschleiß bei Polymerwerkstoff/Polymerwerkstoff-
Paarungen 166
4.7.3.1 Gleitreibung 166
4.7.3.2 Gleitverschleiß 169
4.7.4 Zusammenfassung der Einflüsse von Werkstoffeigenschaften
auf Systemeigenschaften 169
4.7.5 Einfluss von Füll- und Verstärkungsstoffen 169
4.7.5.1 Einfluss von Fasern auf den Verschleiß 169
4.7.5.2 Einfluss von anderen, anorganischen Zusätzen 172
4.7.5.3 Einfluss von polymeren Zusätzen 174
4.7.5.4 Einfluss von polymeren und härteerhöhenden Zusätzen 175
4.7.5.5 Einfluss von Zusätzen auf amorphe Thermoplaste 177
4.7.6 Stick-Slip (Ruckgleiten) 177
4.7.6.1 Beeinflussung des Stick-Slip-Verhaltens durch Parameter
des Gleitsystems 179
4.7.7 Strahlverschleiß 181
5 Berechnen von mechanisch beanspruchten Strukturen an Beispielen
geometrisch einfacher Bauteile und statisch bestimmter Lastfälle 187
5.1 Werkstoff- und verarbeitungsspezifische Probleme 187
5.1.1 Verformungsverhalten unter uniaxialer, zügiger Zugbeanspruchung. 187
5.2 Festigkeitsnachweis 189
5.2.1 Grundsätzliches Vorgehen bei einer Festigkeitsbetrachtung 189
5.2.1.1 Dimensionierungskennwerte 190
5.2.1.2 Sicherheitsbeiwerte 192
5.2.1.3 Abminderungsfaktoren 192
5.2.2 Einachsiger Spannungszustand 193
5.2.2.1 Beispiel des dünnwandigen Rohres unter Innendruck 194
5.2.3 Mehrachsiger Spannungszustand 195
5.2.3.1 Versagenskriterien 196
5.2.3.2 Beispiele zum Belastungsfall der Scherung 198
5.3 Berechnung von Dehnungen und Verformungen 201
5.3.1 Linear-elastisches Materialverhalten 201
5.3.2 Nichtlinear-elastisches Materialverhalten 202
5.4 Spannungs- und Verformungsanalysen von biegebeanspruchten Strukturen
mit Hilfe einer einfachen FE-Betrachtung 207
5.5 Berechnung stoßartig beanspruchter Bauteile 209
5.6 Zur Berechnung von Faserverbund-Strukturen 210
5.6.1 Mechanische Eigenschaften von Laminaten 211
5.6.1.1 Verformungsverhalten unter uniaxaler Zugbeanspruchung,
Schädigungsgrenze 211
5.6.1.2 Grundelastizitätsgrößen einer UD-Schicht 211
5.6.1.3 Gemittelte Kennwerte von Mattenlaminaten 213
5.6.2 Berechnungsverfahren 215
5.6.2.1 Berechnung mit gemittelten Kennwerten 215
5.6.2.2 Kontinuumstheorie 216
5.6.2.3 Netztheorie 216
5.7 Rechnergestützte Entwicklung 216
5.7.1 CAD - Computer Aided Design 216
5.7.2 Rapid Prototyping 219
5.7.3 Rapid Tooling 220
6 Werkstoff- und beanspruchungsgerechte Konstruktion 223
6.1 Weiche Konstruktionen 223
6.1.1 Elastizitätsmodul 223
6.1.2 Flächenträgheitsmoment 224
6.1.3 Beanspruchungsart 225
6.2 Biegesteife Konstruktionen 227
6.3 Biegeweiche-torsionssteife Konstruktionen 229
6.4 Biegesteife-torsionsweiche Konstruktionen 230
6.5 Torsionsfeste, torsionssteife Konstruktionen 231
6.6 Biegesteife und torsionssteife Konstruktionen 233
6.7 Torsionsweiche Konstruktionen 234
6.8 Zugfeste-, zugsteife-torsionsweiche Konstruktionen 235
6.9 Schubfeste, schubsteife Konstruktionen 235
6.10 Drucknachgiebige und drucksteife Konstruktionen 236
6.11 Multifunktionale Konstruktionen 238
6.12 Wärmedehnungen und Wärmespannungen 240
6.13 Gelenkverbindungen 244
6.14 Kunststoff/Metall-Hybridkonstruktionen 247
7 Fertigungsgerechte Konstruktion 251
7.1 Formfüllung 251
7.1.1 Simulation des Füllvorgangs 253
7.1.2 Ursachen zur Entstehung von Orientierungen 255
7.1.2.1 Auswirkungen von Orientierungen 259
7.1.2.2 Beeinflussung von Orientierungen 260
7.1.3 Ursachen zur Entstehung von Bindenähten und Lufteinschlüssen 264
7.1.3.1 Auswirkungen von Bindenähten und Lufteinschlüssen 265
7.1.3.2 Beeinflussung von Bindenähten und Lufteinschlüssen 267
7.2 Abkühlung und Erstarrung 273
7.2.1 Abkühlgeschwindigkeit 273
7.2.1.1 Auswirkungen der Abkühlgeschwindigkeit 273
7.2.1.2 Beeinflussung der Kühlgeschwindigkeit 274
7.2.2 Maßänderungen und Toleranzen 277
7.2.2.1 Schwindung 277
7.2.2.2 Nachschwindung 279
7.2.2.3 Toleranzen 279
7.2.3 Verzug 284
7.2.3.1 Ursachen für Verzug 284
7.2.3.2 Beeinflussung von Verzug 286
7.3 Entformung 289
7.3.1 Entformungsschräge 292
7.3.2 Entformung von Hinterschneidungen 292
7.3.2.1 Zwangsentformung 292
7.3.2.2 Werkzeugtechnische Maßnahmen 293
7.3.2.3 Schmelzkerne 295
7.3.3 Vermeiden von Hinterschneidungen 297
7.3.3.1 Änderungen des Designs 297
7.3.3.2 Durchtauchende Kerne (Durchblocken) 297
7.3.3.3 Mehrteilige Ausführungen 299
7.4 Mehrkomponenten-Spritzgießen 301
7.4.1 Zweifarbenspritzguss 302
7.4.2 Hart-Weich-Kombinationen 306
7.4.3 Gasinjektionstechnik (GIT) 311
7.4.4 Wasserinjektionstechnik (WIT) 317
7.4.5 Gasaußendrucktechnik (GAT) 317
8 Biegeelemente 321
8.1 Schnappverbindungen 321
8.1.1 Schnapphaken 327
8.1.1.1 Formvarianten 327
8.1.1.2 Berechnung 330
8.1.1.3 Zusatzfunktionen 331
8.1.2 Torsionsschnappverbindung 334
8.1.2.1 Formvarianten 334
8.1.2.2 Berechnung 335
8.1.3 Ringschnappverbindung 336
8.1.3.1 Formvarianten 336
8.1.3.2 Berechnung 337
8.1.3.3 Zusatzfunktionen 339
8.1.4 Segmentierte Ringschnappverbindung 341
8.1.4.1 Formvarianten 341
8.1.4.2 Berechnung 341
8.1.4.3 Zusatzfunktionen 342
8.2 Federelemente 344
8.2.1 Federn aus thermoplastischen Polymerwerkstoffen 344
8.2.1.1 Biegefeder 344
8.2.1.2 Zugfedern 346
8.2.1.3 Druckfedern 346
8.2.1.4 Drehfedern 350
8.2.2 Federn aus Faser-Kunststoff-Verbunden (GFK, CFK) 351
8.2.2.1 Blattfedern 351
8.3 Filmscharniere und Filmgelenke 354
8.3.1 Herstellung 354
8.3.1.1 Spritzgießen 354
8.3.1.2 Blasformen 357
8.3.1.3 Prägen 357
8.3.2 Gestaltung 358
8.3.3 Werkstoffe 359
8.3.4 Berechnung 360
8.3.4.1 Berechnung der Filmlänge und Filmdicke 361
8.3.5 Anwendungsbeispiele 363
8.3.5.1 Deckel/Gehäuseverbindungen 363
8.3.5.2 Vereinfachte Herstellung 364
8.3.5.3 Montagehilfe oder unverlierbare Anbindung 369
8.3.5.4 Dynamisch beanspruchte Filmgelenke 369
8.3.5.5 Bistabile Gelenke 370
9 Schraubverbindungen 375
9.1 Geformtes oder spanend gefertigtes Gewinde 376
9.1.1 Schrauben aus Polymerwerkstoff 376
9.1.2 Spritzgegossene, blasgeformte, spanend gefertigte Gewinde 378
9.1.3 Bewegungsgewinde 380
9.2 Gewindeeinsätze 381
9.2.1 Umspritzte Gewindebuchsen 381
9.2.2 Mit Ultraschall eingebettete Gewindebuchsen 381
9.2.3 Eingepresste Gewindebuchsen 382
9.2.4 Spreizeinsätze (Expansionseinsätze) 382
9.2.5 Eingeschraubte Einsätze 383
9.2.6 Einsätze aus Polymerwerkstoffen 383
9.2.7 Vergleichende Bewertung der verschiedenen Einsätze 383
9.2.8 Verhalten unter dynamischer Belastung 387
9.3 Gewindeformende Schrauben 387
9.3.1 Schraubenformen und -geometrien 387
9.3.1.1 Flankenwinkel 389
9.3.1.2 Selbsthemmung 389
9.3.2 Gestaltung des Einschraubauges (Tubus) 389
9.3.2.1 Einschraubtiefe 390
9.3.2.2 Kernlochdurchmesser 390
9.3.2.3 Entlastungsbohrung 391
9.3.2.4 Außendurchmesser 391
9.3.3 Berechnung von Kenngrößen einer Schraubverbindung 393
9.3.3.1 Eindrehmoment 393
9.3.3.2 Überdrehmoment 395
9.3.3.3 Auszugkraft 395
9.3.3.4 Anziehmoment und Vorspannkraft 396
9.3.3.5 Montagebedingungen 398
10 Rippenkonstruktionen 399
10.1 Vergleich mit anderen Versteifungsmaßnahmen 399
10.1.1 Erhöhung des Elastizitätsmoduls 399
10.1.2 Vergrößerung der Wanddicke 400
10.1.3 Sicken 401
10.2 Allgemeine Aspekte zur Rippenversteifung 402
10.2.1 Rippenhöhe 402
10.2.2 Rippenlage 403
10.2.3 Rippenanzahl (Werkstoffaufwand) 405
10.2.4 Einspannung 407
10.3 Gestaltungsregeln für spritzgegossene Verrippungen 408
10.3.1 Rippendicke 408
10.3.2 Kühlzeit 409
10.3.3 Anspritzrichtung 410
10.3.4 Rippenkreuzungspunkte (Knoten) 412
10.4 Gestaltungsregeln für Rippen nach den GID-Verfahren 413
10.5 Gestaltungsregeln für blasgeformte Rippen und Sicken 414
10.5.1 Blasgeformte Sicken 415
10.5.2 Blasgeformte Rippen 416
10.6 Gestaltungsregeln für gepresste Rippen 417
10.6.1 Handwerkliche Verarbeitung (Handlaminierverfahren) 418
10.6.2 Pressverfahren 418
11 Zahnräder 421
11.1 Berechnung der Zahn- und Flankentemperatur von Stirnrädern 423
11.1.1 Blok'sche Blitztemperaturhypothese 424
11.1.2 Temperaturrechnung nach Takanashi 424
11.1.3 Temperaturrechnung nach Hachmann und Stricki.k 427
11.1.4 Vergleich der Temperaturberechnungsverfahren 428
11.1.5 Optimierte Temperaturrechnung 429
11.1.5.1 Temperaturmessungen an Kunststoff/Stahl-Paarungen
nach |11.12] 429
11.1.5.2 Temperaturmessungen an Kunststoff/Kunststoff-Paarungen
nach [ 11.36] 432
11.1.5.3 Relative Einschaltdauer 432
11.1.5.4 Optimierte Zahlenwertgleichung 433
11.2 Berechnung der Tragfähigkeit 435
11.2.1 Zahnschäden 435
11.2.2 Allgemeine Kenngrößen 436
11.2.3 Berechnung der Zahnfußtragfähigkeit 437
11.2.4 Berechnung der Zahnflankentragfähigkeit 444
11.2.5 Berechnung der Zahnverformung 450
11.3 Gestaltung 453
11.3.1 Spritzgießen 453
11.3.2 Spanende Herstellung 456
11.3.3 Wellen-/Naben-Verbindung 457
11.3.3.1 Reibschlussverbindung 458
11.3.3.2 Formschlussverbindung 460
11.3.3.3 Vorgespannter Formschluss 462
12 Gleitlager 467
12.1 Gleitlagerschäden 470
12.2 Berechnung der Belastbarkeit 471
12.2.1 Berechnung der mittleren Lagertemperatur 471
12.2.2 Berechnung der Gleitflächentemperatur 474
12.2.3 Statische Belastbarkeit 475
12.2.3.1 Beanspruchung des Lagerwerkstoffs 475
12.2.3.2 Deformation der Lagerschale 479
12.2.4 Dynamische Belastbarkeit 483
12.2.4.1 Dauerbetrieb 483
12.2.4.2 Aussetzbetrieb 484
12.2.4.3 Verschleiß 485
12.3 Gestaltung 487
12.3.1 Lagerspiel 487
12.3.2 Wanddicke 490
12.3.3 Herstellung 490
12.3.4 Gestaltungsbeispiele 490
13 Laufrollen und Laufräder 493
13.1 Rollenschäden 494
13.2 Berechnung der Tragfähigkeit 496
13.2.1 Pressungskennwert als näherungsweise Bemessungsgrenze 496
13.2.2 Deformation unter statischer Last 500
13.2.3 Dynamisch beanspruchte Laufrollen 505
13.2.3.1 Frei laufende Rollen (ohne Antrieb) 506
13.2.3.2 Angetriebene Rollen 511
14 Anleitungen zur Bedienung der Rechenprogramme 517
14.1 Anleitung zur Berechnung von Biegeelementen mit dem Programm BEAMS . 517
14.1.1 Berechnung der Verformung unter kurzzeitiger Lasteinwirkung 517
14.1.2 Berechnung der Verformung unter langzeitiger Lasteinwirkung 519
14.1.3 Berechnung der Relaxation unter langzeitiger Lasteinwirkung 520
14.2 Anleitung zur Berechnung von Schnappverbindungen mit dem Programm
SNAPS 520
14.3 Anleitung zur Berechnung von Schraubverbindungen mit dem Programm
SCREWS 522
Anhang 525
Polymerwerkstoffe und ihre Kurzzeichen 525
Index 527 |
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