Maschinenelement

Maschinenelemente sind Bauteile, die in gleicher oder zumindest ähnlicher Form in technischen Gebilden enthalten sind. Der Name bezieht sich zwar auf Maschinen, doch kommen Maschinenelemente auch in Anlagen, Apparaten, Geräten und modernen Bauwerken vor. Ihre Eigenschaften sind gut erforscht und sie bieten deshalb verlässliche Lösungen für immer wiederkehrende Einzelaufgaben beim Konstruieren und dem Bau technischer Gebilde.

Der Begriffsteil Element nimmt häufig Bezug auf ein kleinst mögliches Teil. Das ist in diesem Zusammenhang anders. Gemeint ist die kleinst mögliche sinnvolle Organisationseinheit, die für die Funktion und den Bau von technischen Gebilden erfolgversprechend ist. So wird eine Fahrradkette, die aus den Teilen Bolzen, Hülsen und Laschen zusammengesetzt ist, als Ganzes, als Maschinenelement eines Fahrrades behandelt.

Die häufigsten Maschinenelemente werden zur Verbindung der Hauptteile eines technischen Gebildes, die selbst komplexere Maschinenelemente sein können, gebraucht. Ein typisches Verbindungselement ist die Schraube (mit Mutter).

Standard-Maschinenelemente wie Verbindungselemente und Dichtungen sind in fast allen Eigenschaften genormt, lassen sich folglich zur Verwirklichung des ökonomisch günstigen Prinzips Austauschbau gesondert fertigen und verfügbar halten.

Komplexere Maschinenelemente sind zum Beispiel Wellen, Räder, Lager, Kupplungen und Getriebe. Die Normung beschränkt sich bei ihnen meistens auf Form und Größe der Anschlussflächen zu anderen Teilen. Das arbeitsteilige Prinzip Austauschbau ist aber in einigen Fällen dennoch anwendbar, wie zum Beispiel bei den Wälzlagern.

Die Maschinenelemente müssen in der Regel individuell für das technisches Gebilde ausgelegt werden, in welchen es zum Einsatz kommt. Das ist nur durch gute Kenntnisse ihrer Bemessungsgrundlagen möglich. Diese Fähigkeiten und Kenntnisse werden im Fach Maschinenelemente – einem der zentralen Grundlagenfächer im Studium des Maschinenbaus – vermittelt.

Gliederung

Die Einteilung von Maschinenelementen in Handbüchern, Tabellen oder Lehrbüchern beginnt in der Regel mit den Verbindungselementen. Wegen der Mannigfaltigkeit der Maschinenelemente ist darüber hinaus aber bisher keine einheitliche Gliederung entstanden. Sie werden oft ohne erkennbares Systematisierungs-Kriterium in beliebiger Reihenfolge behandelt. Lehrbücher lassen gelegentlich den Arbeits-Schwerpunkt ihrer Autoren erkennen, weil einige Maschinenelemente nur kurz oder gar nicht behandelt sind.

Einen Vorschlag für eine grundlegende Systematisierung hat Karl Kutzbach bereits 1927 gemacht. Er beruht auf der Definition, „dass eine Maschine die Anwendung aller Mittel zur geregelten Beherrschung der Orts- und Formänderung von Stoff oder Energie [oder Information] ist“. Siegfried Hildebrand hat ihn 1968 bei der Gliederung der feinmechanischen Bauelemente, die aber prinzipiell für alle Maschinenelemente gültig ist, aufgegriffen.

Die Gliederung unterscheidet Arbeitselemente von Anpassungselementen. Die Arbeitselemente werden in Speicher, Leitungen und Umformer eingeteilt, „da jeder Funktionswert gespeichert, fortgeleitet und umgeformt werden muss. … Die Anpassungselemente dienen zum Beeinflussen der Arbeitselemente oder zum Steuern und Regeln. … Sie sind deshalb in Ruheelemente (Widerstände), in Schaltelemente und Steuer- und Reglerelemente unterteilt.“ Ruheelemente haben die Aufgabe, einen Ruhezustand zu erzeugen oder zu erhalten. Sie sind den Führungselementen verwandt, die aber nur einzelne Freiheitsgrade auszuschließen haben. Ruheelemente im engeren Sinn sind Gesperre und Anschläge. Spezielle Ruheelemente sind Kupplungen (Gesperre zwischen zwei Wellen), Bremsen (variabler Widerstand) und Schalter (Erhalten und Erreichen von Vorzugslagen).

Die folgende Aufstellung enthält Verbindungselemente und andere ausgewählte Maschinenelemente, letztere nach dem Vorschlag von Kutzbach/Hildebrand geordnet:

• Verbindungselemente
  • Schraubenverbindungen
  • Nietverbindungen
  • Schweißverbindungen
  • Lötverbindungen
  • Klebeverbindungen
• Speicherelemente
  • Federn
  • Schwungräder
• Führungselemente (Leitungen)
  • Gleitlager und Wälzlager
  • Achsen und Wellen
• Umformerelemente
  • Zahnräder und Zahnradgetriebe
  • Reibradgetriebe
  • Zugmittelgetriebe
  • Schraubengetriebe
  • Koppelgetriebe
  • Kurvengetriebe
• Ruheelemente
  • Gesperre
  • Anschläge
  • Kupplungen und Schaltkupplungen
  • Bremsen
  • Schalter
• Schaltelemente
  • Schaltwerk (zum Beispiel Malteserkreuzgetriebe)
• Steuer- und Reglerelemente
  • Bremsregler (zum Beispiel Fliehkraftregler)
  • Hemmregler (zum Beispiel Uhren-Hemmung)

• Sonstige Elemente
  • Dichtungen
  • Rohrleitungen, Behälter und Absperrorgane

Literatur

• K.-H. Decker, K. Kabus: Maschinenelemente. 16. Auflage. Hanser, München 2007, ISBN 978-3-446-40897-5.
• H. Haberhauer, F. Bodenstein: Maschinenelemente. 14. Auflage. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-34463-6.
• Siegfried Hildebrand: Feinmechanische Bauelemente, Hanser, 1968
• Gustav Niemann, Hans Winter, Bernd-Robert Höhn: Maschinenelemente - Band 1: Konstruktion und Berechnung von Verbindungen, Lagern, Wellen. 4. Auflage. Springer, Muenchen 2005, ISBN 978-3-540-25125-5.
• Gustav Niemann, Hans Winter, B.-R. Höhn: Maschinenelemente - Band 2: Getriebe allgemein, Zahnradgetriebe - Grundlagen, Stirnradgetriebe. 2. Auflage. Springer, Muenchen 2002, ISBN 978-3-540-11149-8.
• Gustav Niemann, Burkhard Neumann, Hans Winter,: Maschinenelemente - Band 3: Schraubrad-, Kegelrad-, Schnecken-, Ketten-, Riemen-, Reibradgetriebe, Kupplungen, Bremsen, Freiläufe. 2. Auflage. Springer, Muenchen 1983, Nachdruck 2004, ISBN 978-3-540-10317-2.
• D. Muhs, H. Wittel, D. Jannasch, J. Voßiek: Roloff/Matek Maschinenelemente. 18. Auflage. Vieweg, Wiesbaden 2007, ISBN 978-3-8348-0262-0.
• Bertholt Schlecht: Maschinenelemente 1: Festigkeit, Wellen, Verbindungen, Federn, Kupplungen. 1 Auflage. Pearson Studium, München 2006, ISBN 978-3-8273-7145-4.
• Bertholt Schlecht: Maschinenelemente 2: Getriebe, Verzahnungen und Lagerungen. 2 Auflage. Pearson Studium, München 2010, ISBN 978-3827371461.