Grundlagen der Mechanik: Definitionen und Maschinenelemente

Maschinen und Mechanische Arbeit

Maschine: Ein Gerät, das zur Verringerung des Aufwands für die mechanische Arbeit dient.

Arbeit: Eine Gruppe mechanischer Elemente, von denen jedes eine spezifische Funktion oder Aufgabe innerhalb der Maschine erfüllt.

Arten von Maschinen

• Einfache Maschinen: Bestehen nur aus einem Unterstützungspunkt (z.B. Hebel, schiefe Ebene, Keil, Schraube, Scheibe und Winde).
• Zusammengesetzte Maschinen (Komplexe Maschinen): Bestehen aus zwei oder mehr einfachen Maschinen (z.B. Fahrrad, Kran).

Die Einfachen Maschinen

Der Hebel

Eine einfache Maschine, bestehend aus einem starren Stab, der um einen Unterstützungspunkt (Dreh- und Angelpunkt) gedreht werden kann.

Hebelklassen (Geschlechter)

1. 1. Klasse: Der Unterstützungspunkt liegt zwischen der Kraft (P) und der Last (R).
2. 2. Klasse: Die Last (R) liegt zwischen dem Unterstützungspunkt und der Kraft (P).
3. 3. Klasse: Die Kraft (P) liegt zwischen der Last (R) und dem Unterstützungspunkt.

Zusammengesetzter Hebel: Gebildet durch die Kombination mehrerer Hebel des gleichen oder eines anderen Geschlechts.

Die Schiefe Ebene

Eine einfache Maschine, die aus einer festen Fläche besteht, welche einen Winkel zur Horizontalen bildet.

Kräfte und Hebelarme

• P: Die angewandte Kraft.
• A: Das Gewicht, das bewegt werden soll.
• Kraftarm (a): Der Abstand zwischen dem Unterstützungspunkt und dem Anwendungspunkt der Kraft.
• Lastarm (b): Der Abstand zwischen dem Unterstützungspunkt und der Last (R).

Formel (Hebelgesetz): P = R · (a/b) [Anmerkung: Die ursprüngliche Formel war unvollständig und wurde sinngemäß ergänzt.]

Die Schraube

Eine einfache Maschine, die aus einer schiefen Ebene besteht, welche gleichmäßig und konstant um die Außenfläche eines Zylinders gewickelt ist.

Elemente des Gewindes

• Gewindegang (Filet): Ausgehender spiralförmiger Gewindeabschnitt.
• Kamm (Steg): Der höchste Punkt des Gewindes.
• Grund (Fonds): Der tiefste Punkt des Gewindes.
• Flanke: Die Seitenflächen.

Die Rolle (Pulley)

Eine einfache Maschine, bestehend aus einem Rad, das sich um eine Achse dreht und über ein Seil oder Kabel betrieben wird, um Kraft zu übertragen.

Arten von Rollen

• Feste Rolle: Der Kraftarm (P) und der Lastarm (R) entsprechen dem Radius des Rollenumfangs. Der Dreh- und Angelpunkt ist die Achse, um die sich die Rolle dreht.
• Bewegliche Rolle: Eine Verbundvorrichtung, die aus zwei Scheiben besteht, die mit einem beweglichen Haken verbunden sind und wie die erste Rolle mit einem Seil betrieben werden.
• Zusammengesetzte Rolle (Flaschenzug): Besteht aus zwei Rollen. Der Punkt, an dem das Seil befestigt ist, und der Haken sind an der festen Rolle angebracht.

Die Winde (Drehbank oder Cabria)

Eine einfache Maschine, bestehend aus einem Zylinder, dessen Achse in zwei Stützen gelagert ist. Die Kurbel ist mit der Welle verbunden und löst die Drehung aus.

Formel (Gleichgewicht): P × l = R × r

Kraftübertragungssysteme (Getriebe)

Ziel: Übertragung der vom Motor erzeugten Leistung und Bewegung auf die verschiedenen Elemente einer Maschine.

Übertragungsarten

Übertragung durch Reibrad

Ein Rad wird durch ein Element angetrieben, das durch die Reibungskraft ein anderes Rad mitzieht, indem ein gewisser Druck zwischen ihnen ausgeübt wird.

Übertragung durch Riemen

Zwei Rollen werden in einem bestimmten Abstand auf Achsen platziert und durch einen geschlossenen Riemen verbunden. Die Drehung der Antriebsrolle wird kontinuierlich auf die andere Rolle übertragen.

Übertragung durch Kette

Ein Paar Zahnräder wird in einem Abstand platziert und durch eine Kette verbunden, die in die Zähne der Räder greift. Das antreibende Rad zieht das angetriebene Rad.

Kettentypen

• Rollenkette: Besteht aus Gliedern aus Stahlblech, die durch rotierende Rollen auf Achsen verbunden sind.
• Gelenkkette: Besteht aus speziellen Gliedern, deren Zähne perfekt in das Rad greifen und einen reibungslosen und leisen Betrieb ermöglichen.

Zahnräder (Getriebe)

Eine Anordnung, die aus zwei Zahnrädern besteht, deren Zähne ineinandergreifen. Wenn sich ein Rad dreht, zieht es das andere mit.

Arten von Zahnrädern

• Innenverzahnung: Die Zähne sind innerhalb einer zylindrischen Bohrung angebracht.
• Außenverzahnung: Die Zähne befinden sich außen an einem Zylinder.
• Stirnräder: Scheiben mit Zähnen, die in ihren Rand geschnitten sind.
• Kegelräder: Kegelstümpfe mit Zähnen, die auf ihrer Mantelfläche geschnitten sind. Sie dienen zur Übertragung von Bewegung zwischen Achsen, die sich in einem bestimmten Winkel schneiden.
• Schneckengetriebe (Worm): Stirnräder, bei denen das Antriebsrad eine Schraube (Schnecke) ist, die in die Zähne des angetriebenen Rades greift.

Arten der Übertragung

• Einfache Übertragung: Überträgt die Bewegung direkt zwischen zwei Achsen.
• Zusammengesetzte Übertragung: Überträgt die Bewegung über zwei oder mehr Achsen oder Getriebe.

Antriebselemente und Lager

Antriebe: Satz von Elementen, die Leistung und Bewegung vom Motor an den gewünschten Ort übertragen.

Lagerarten

• Gleitlager (Reibungslager): Lager, bei denen die sich drehende Achse ständig an der Oberfläche reibt.
• Wälzlager: Bestehen aus zwei konzentrischen Ringen, zwischen denen sich Kugeln oder Rollen befinden.

Mechanismen: Satz von Elementen, die in der Lage sind, eine bestimmte Bewegung zu erzeugen oder zu übertragen, um eine definierte Funktion zu erfüllen.