Grundlagen der Maschinentechnik und Antriebssysteme

1. Maschinen und technische Systeme

Eine Maschine oder ein technisches System ist eine Kombination aus Mechanismen oder Vorrichtungen, die gezielt gruppiert sind, um Energie zu nutzen, zu transformieren und einen definierten Effekt zu erzielen.

2. Treibende Kräfte

Primärmotoren: Diese Motoren liefern Energie selten direkt an die Maschine. Sie dienen meist dazu, eine Energieform (oft Strom) umzuwandeln, damit sie von einem Sekundärmotor genutzt werden kann.

Sekundärmotoren: Diese wandeln Energie direkt in die Antriebskraft der Maschine um. Zu den gebräuchlichsten Energieträgern gehören:

• Muskelkraft: (von Tieren oder Menschen), wird zunehmend seltener genutzt.
• Thermische Energie: Gewonnen durch Verbrennung von Brennstoffen. Man unterscheidet:
  • Externe Verbrennungsmotoren: Ein klassisches Beispiel ist die Dampflokomotive. Hierbei wird durch Dampferzeugung unter hohem Druck ein Kolben bewegt, um Wärme in mechanische Energie umzuwandeln.
  • Verbrennungsmotoren: Die Verbrennung erfolgt direkt im Zylinder. Beispiele sind Benzin-, Diesel- und Gasturbinenmotoren oder Strahltriebwerke.
• Elektrische Energie: Elektromotoren sind die am häufigsten eingesetzten Sekundärmotoren.

3. Elemente von Maschinen

Dies sind die einzelnen Bauteile, aus denen eine Maschine besteht. Der Begriff Mechanismus wird verwendet, wenn das Maschinenelement eine bestimmte Mobilität aufweist.

4. Wellen und Kupplungen

Eine Welle ist ein rotierendes Element, das Energie oder Leistung übertragen kann. Eine Achse hingegen ist ein meist zylindrisches Maschinenelement, das rotierende Teile stützt, aber keine Leistung überträgt und somit keiner Torsion unterliegt.

Starre Kupplungen

Die Wellen sind fest miteinander verbunden und behalten ihre geometrische Position bei:

• Flanschkupplung: An den Enden der beiden Wellen befinden sich Flansche, die durch Schrauben fest miteinander verbunden werden.
• Kegelkupplung: Durch das Zusammenpressen zweier konischer Teile werden die Wellen kraftschlüssig verbunden.

Mobile Kupplungen

• Elastische Kupplung: Besteht meist aus Gummi oder Neopren. Sie absorbiert Rotationsstöße und ermöglicht einen Versatz von bis zu 15°.
• Kardangelenk: Dient der Kraftübertragung zwischen nicht fluchtenden Wellen. Aufgrund der entstehenden Schwingungen werden meist zwei Gelenke pro Welle verwendet.
• Gleichlaufgelenke: Erfüllen den gleichen Zweck wie Kardangelenke, jedoch ohne Schwingungen. Häufig in der Automobilindustrie (Radantrieb) eingesetzt.
• Oldham-Kupplung: Besteht aus drei Scheiben und dient der Übertragung zwischen zwei parallelen, leicht versetzten Wellen.
• Keilwellenverbindung: Ermöglicht eine Längenänderung der Welle (auch als Schiebehülse bekannt).

5. Riemengetriebe

• Keilriemen: Der am häufigsten verwendete Riemen in der Industrie.
• Flachriemen: Für geringe Leistungen oder nicht parallele Wellen. Die gewölbte Form verhindert das Abspringen des Riemens.
• Rundriemen: Einsatz bei Maschinen mit sehr niedrigen Drehzahlen oder nicht parallelen Achsen.

6. Zahnradgetriebe

Einsatz bei hohen Belastungen oder wenn ein konstantes Übersetzungsverhältnis erforderlich ist.

Übertragung zwischen parallelen Achsen

Stirnräder: Geeignet für moderate Leistungen und Geschwindigkeiten. Wichtige Parameter:

• h1 (Kopfhöhe) = 1 · m
• h2 (Fußhöhe) = 1,25 · m
• h (Zahnhöhe) = 2,25 · m
• b (Zahnbreite) = 10 · m
• s (Zahndicke) = (19/10) · p

Weitere Getriebearten:

• Schrägverzahnte Räder: Durch geneigte Zähne greifen mehrere Zähne gleichzeitig ein, was die Biegebelastung reduziert.
• Pfeilverzahnung (V-Form): Zwei schrägverzahnte Räder kompensieren axiale Kräfte.
• Planetengetriebe: Bestehen aus einem Hohlrad, einem zentralen Ritzel und drei Satellitenrädern.

7. Kinematische Ketten

Eine kinematische Kette ist eine Anordnung von zwei oder mehr Zahnradpaaren, um die Drehzahl der Abtriebswelle zu variieren. Das Übersetzungsverhältnis berechnet sich aus dem Produkt der Zähnezahlen der treibenden Räder geteilt durch das Produkt der Zähnezahlen der getriebenen Räder.

8. Leistung und Drehmoment

Das Drehmoment (M) ist das Produkt aus Kraft und Hebelarm.

9. Ketten- und Zahnriemenantriebe

• Ketten: Ideal für staubige Umgebungen und hohe Belastungen. Nachteil: Lautstärke und Wartungsbedarf (Schmierung).
• Zahnriemen: Wartungsfrei (keine Schmierung), jedoch unterliegen sie einem natürlichen Verschleiß und müssen regelmäßig gewechselt werden.