Grundlagen der Maschinenelemente: Federn und Lager

Elastische Federn und Gelenke

Federn und elastische Gelenke werden verwendet, um Energie oder Stoßbelastungen (wie z. B. von Motoren oder Stromquellen) zu absorbieren und eine Kraft oder einen Druck zu erzeugen.

Die Eigenschaft der Elastizität

Federn besitzen die wesentliche elastische Eigenschaft: die Fähigkeit, sich bei Einwirkung einer externen Kraft zu verformen, Energie zu absorbieren und in ihre ursprüngliche Position zurückzukehren, wobei die absorbierte Energie freigesetzt wird, sobald die Kraft wegfällt.

Haupttypen von Federn

Die wichtigsten Federtypen sind:

• Zugfedern (Spannfedern): Ein aus Draht hergestellter, schraubenförmig gewickelter Körper, der so konstruiert ist, dass er Zugkräften widersteht und sich dabei streckt.
• Druckfedern: Gleiche Geometrie wie Zugfedern, jedoch so ausgelegt, dass sie Kräften widerstehen, die versuchen, sie zu komprimieren.
• Torsionsfedern: Ebenfalls schraubenförmig gewickelt, aber die Enden sind so geformt, dass sie Dreh- oder Torsionsbelastungen widerstehen.
• Blattfedern (Armbrustfedern): Bestehen aus gebogenen, flachen Stahlplatten, die übereinander liegen und in der Mitte durch einen Flansch verbunden sind. Die Befestigungen an ihren Enden sind über Dreharme verbunden, damit die Feder gespannt werden kann.
• Spiralfedern: Dienen dazu, ein Rotationsmoment einer Welle aufzunehmen oder zu absorbieren. Die Welle ist mit dem inneren Ende der Feder verbunden, während das andere Ende an einer Halterung oder Auflage befestigt ist.
• Gummifedern: Gummielemente, die sowohl auf Kompression als auch auf Scherung beansprucht werden können. Sie bieten den Vorteil, dass sie das Gewicht der Maschine im Vergleich zu Stahlfedern erheblich reduzieren.

Lager (Bearings)

Lager sind Zwischenelemente, die zwischen zwei Teilen eines Mechanismus angebracht sind, die sich relativ zueinander drehen. Sie stellen sicher, dass die Reibung zwischen diesen Teilen minimal ist und dass die beiden Komponenten miteinander verbunden bleiben.

Komponenten eines Wälzlagers

• Außenring: Nimmt den Druck von außen auf oder dreht sich um die feste Komponente. Dient als äußere Laufbahn für die Wälzkörper.
• Innenring: Kann mit dem rotierenden Element oder der festen Komponente verbunden sein und dient als innere Laufbahn für die Wälzkörper.
• Wälzkörper: Kugeln oder Rollen, die die Reibung reduzieren, indem sie zwischen den Laufbahnen rollen.
• Separatoren (Käfig): Halten die Wälzkörper in gleichmäßigem Abstand zueinander.

Belastungsarten

• Radialkraft: Die Kraft, die das Lager aufnehmen muss, verläuft senkrecht zur imaginären Mittellinie (Achse) des Lagers.
• Axialkraft: Die Kraft verläuft parallel zu dieser imaginären Mittellinie (Achse).
• Schiefe Kraft (Kombinierte Kraft): Die Kombination aus Radial- und Axialkraft.

Typen von Wälzlagern

Rillenkugellager

Sie besitzen tiefe Rillen und eignen sich besonders für hohe Drehzahlen. Sie zeichnen sich durch minimale Reibung zwischen den Kugeln und Laufbahnen aus und sind sehr wirtschaftlich.

Einreihige Schrägkugellager

Die Anordnung der Laufbahnen ermöglicht die Aufnahme von Druck entlang einer schrägen Linie zur Lagerachse. Sie nehmen radiale und axiale Belastungen auf. Um axiale Belastungen in beide Richtungen aufnehmen zu können, müssen sie oft paarweise entgegengesetzt montiert werden. Mit zwei Kugelreihen könnten sie axialen Belastungen von beiden Seiten widerstehen.

Zylinderrollenlager

Sie unterstützen hohe radiale Belastungen und halten hohen Geschwindigkeiten stand. Sie haben den Vorteil, dass die Lagerachse axial beweglich ist (innerhalb bestimmter Grenzen).

Kegelrollenlager

Die Schrägstellung der Rollen und Laufbahnen macht sie am besten geeignet, um sowohl axiale als auch radiale Belastungen zu widerstehen. Sie erfordern die Montage eines zweiten, entgegengesetzt montierten Lagers, um axiale Kräfte aufnehmen zu können.

Nadellager

Sie ermöglichen eine leichte Bauweise und benötigen wenig Platz. Sie erfordern eine gute Schmierung.