Grundlagen Mechanischer Elemente und Verbindungen

1. Ritzel und Zahnstange

Es gibt 13 normale Ritzel, die mit einem anderen Zahnrad ineinandergreifen können, dessen Radius unendlich ist (einer Zahnstange). Das Funktionieren dieses Systems ist reversibel.

• Wenn das Ritzel an der Zahnstange befestigt ist, bewegt sich die Zahnstange, während sich das Ritzel dreht.
• Wenn die Zahnstange befestigt ist, dreht sich das Ritzel, ohne die Zahnstange zu verschieben.

2. Schrauben und Muttern

Das Prinzip einer Schraube lässt sich veranschaulichen, indem man einen Zylinder auf einer geneigten Ebene (Rampe) aufrollt. Die Rampe entspricht dabei dem Gewinde der Schraube. Eine Schrauben-Mutter-Verbindung ermöglicht das Drehen der Schraube, wodurch sich die Mutter bewegt (hinein oder heraus). Dieses Konzept dient dazu, Lasten zu bewegen oder Gegenstände präzise zu halten.

3. Nocken und Exzenter

• Nocken (Nockenwelle)

  Nocken (oft auch als Lewa bezeichnet) sind Metall- oder Kunststoffteile mit einer speziellen Form, die auf einer Achse befestigt sind. Ihre Bewegung führt zu einer Verschiebung eines Stößels oder eines Anhängers.

  Arten: Lineare und rotierende Nocken.

• Exzenter

  Ein Exzenter ist eine Scheibe oder ein Zylinder, dessen Drehachse nicht mit seinem geometrischen Mittelpunkt zusammenfällt. Der Abstand 'd' zwischen dem Mittelpunkt der Scheibe und der Achse wird als Exzentrizität bezeichnet.

4. Kurbel- und Kolbenmechanismen

Ein Kurbel-Kolben-Mechanismus kann eine kreisförmige Bewegung in eine lineare Bewegung umwandeln oder umgekehrt.

• Wenn die Kurbel gedreht wird, bewegt sich der Kolben linear vor und zurück.
• Umgekehrt kann eine lineare Schub- oder Zugbewegung des Kolbens die Kurbel in Rotation versetzen.

Diese lineare Umwandlung in eine kreisförmige Bewegung (z. B. Kurbelwelle in Motoren) wird häufig in Verbrennungsmotoren eingesetzt.

5. Ratschen

Ratschen haben die Aufgabe, die Rotation einer Achse in eine Richtung zu verhindern und in die andere Richtung zuzulassen. Sie bestehen aus einem Zahnrad und einem Sperrklinkenmechanismus, der durch die Wirkung einer Feder oder seines Eigengewichts zwischen die Zähne des Rades greift.

Arten:

• Reversible Ratschen: Ermöglichen eine Blockade je nach Bedarf in beide Richtungen.
• Irreversible Ratschen: Blockieren die Drehrichtung immer in die gleiche Richtung.

6. Freilauf

Freiläufe in Motorstartern übertragen die Bewegung vom Elektromotor zum Verbrennungsmotor. Sobald der Verbrennungsmotor läuft und seine Drehzahl die des Elektromotors übersteigt, kuppelt der Freilauf den Startermotor aus, um Schäden durch hohe Drehzahlen zu vermeiden.

7. Mechanische Verbindungselemente

7.1. Lösbare Verbindungen

Lösbare Verbindungen ermöglichen es, Teile einfach und ohne Beschädigung voneinander zu trennen.

7.1.1. Gewindeelemente

• Stiftschrauben oder Sicherheitsschrauben: Gewinde in einer Mutter.
• Verbindungsschrauben: Werden ohne Mutter verwendet.
• Passschrauben: Schrauben, die in ein Gewinde in Teil A eingreifen und in einem Loch in Teil B ohne Gewinde untergebracht sind.
• Gewindestangen (Spargel): Gewindestangen an beiden Enden mit einem glatten Mittelteil. Häufig verwendet für große und teure Metallteile.
• Bolzen: Werden zum Verbinden von Teilen verwendet.
• Schrauben: Werden für dünne Metallteile verwendet.
• Holzschrauben oder Bolzen: Zum Verbinden von Holzstücken.

7.1.2. Weitere Verbindungselemente

• Zylinderstifte: Konische oder zylindrische Elemente, die Maschinenteile zusammenhalten und große Kräfte übertragen können.
• Passfedern (Pins): Prismatische Stahlteile, die zwischen zwei zu verbindenden Teilen liegen und eine gemeinsame Kraftübertragung ermöglichen. Sie können längs oder quer angeordnet sein.
• Keile (über die Zunge): Ermöglichen, dass ein Teil eine Längsverschiebung in Bezug auf das Teil hat, das den Keil hält, während es gesichert ist.
• Führungen: Dienen dazu, die Bewegung eines Teils relativ zu einem anderen zu ermöglichen.
• Knopf und Knopfloch, Klettverschluss: Kunststoffstreifen, die durch Kontakt aneinanderhaften.
• Klammern: Zwei Metallteile, die, wenn sie gegeneinander gedrückt werden, das Chassis von zwei Elementen zusammenhalten.

7.2. Feste Verbindungen (Nicht lösbar)

Feste Verbindungen werden mit Teilen hergestellt, deren Entfernung während der Lebensdauer der Maschine nicht vorgesehen ist oder das Zerstören von Teilen erfordert, um sie zu entfernen.

7.2.1. Nieten

Nieten sind zylindrische Stäbchen mit einem Kopf an einem Ende, die dazu dienen, mehrere kleine Bleche oder dickere Teile dauerhaft zu verbinden.

Nietvorgang:

1. Die Niete wird so zugeschnitten, dass sie eine Länge hat, die der Dicke der zu verbindenden Teile plus der Länge für den Schließkopf entspricht.
2. Ein Loch mit einem Durchmesser, der etwas größer ist als der Niet, wird in die zu verbindenden Teile gebohrt.
3. Der zweite Kopf (Schließkopf) wird auf der gegenüberliegenden Seite geformt, entweder maschinell oder manuell.

Großnieten: Nieten mit einem Durchmesser von mehr als 10 mm. Der Nietvorgang erfolgt hierbei heiß.

7.2.2. Presspassung

Eine Presspassung wird angewendet, wenn der Durchmesser der Achse größer ist als der Durchmesser des Lochs, in das sie eingesetzt werden soll, wodurch eine feste Verbindung entsteht.

7.2.3. Kleben

Kleben besteht darin, zwei Oberflächen durch eine Zwischenschicht aus einem Material mit hoher Haftfestigkeit zu verbinden.

Klebstoffarten:

• Natürliche Klebstoffe: Latex, Gummi Arabicum, Dextrin.
• Synthetische Klebstoffe: Harnstoffharze, Epoxidharze, Vinylharze und Polyisocyanate.

7.2.4. Schweißen

Schweißen ist die dauerhafte Verbindung zweier Metalle durch Wärme, die im Bereich der Verbindung zugeführt wird, bis das Lot oder die Grundmaterialien schmelzen und sich verbinden.

7.2.4.1. Kaltschweißen

Besteht oft aus einem Metallpulver und einem Kunststoffharz, die getrennt sind und dann gemischt werden. Der Vorteil ist, dass verschiedene Metallteile miteinander verbunden werden können, da die Verbindung an jedes Material angepasst wird.

7.2.4.2. Warmschweißen

Ist die permanente Verbindung von zwei Metallen durch Wärme, die im Bereich der Verbindung zugeführt wird, bis das Lot oder die Grundmaterialien schmelzen und sich verbinden.

7.2.4.3. Schweißarten

• Weichlöten: Heterogenes Schweißen bei Anwendungstemperaturen unter 400 °C.
• Hartlöten: Heterogenes Schweißen bei Anwendungstemperaturen bis 1000 °C.
• Autogenschweißen: Die Wärme wird durch eine Brennerflamme erzeugt, die Sauerstoff und Acetylen (oder Butan) verwendet. Die maximale Temperatur kann bis zu 3000 °C betragen.
• Elektrisches Schweißen: Zur Befestigung von Stahlteilen. Ein elektrischer Lichtbogen wird zwischen zwei Elektroden erzeugt, dessen Wärme einen Teil des zu schweißenden Materials schmilzt.
  • Lichtbogenschweißen: Für dicke oder dünne Bleche.
  • Punktschweißen: Teile werden zwischen zwei Elektroden eingespannt.

7.2.4.4. Schweißnahttypen

• Heterogene Schweißnaht: Wenn das Lotmaterial sich von den zu verbindenden Teilen unterscheidet.
• Homogene Schweißnaht: Wenn das Lotmaterial den zu verbindenden Teilen ähnlich ist.