Grundlagen mechanischer Komponenten: Energiespeicher, Bremsen und Lager

Optimale Funktion mechanischer Systeme

14 Hilfskräfte sorgen für die optimale Funktion des gesamten Systems. Mechanische Elemente können Energie speichern und diese bei Bedarf wieder abgeben. Zu den wichtigsten mechanischen Energiespeichern gehören:

Mechanische Energiespeicher

Das Schwungrad (Flywheel)

Das Schwungrad ist in der Regel eine massive, gegossene Platte, die auf einer Welle montiert ist. Seine Aufgabe ist es, eine gleichmäßige Rotation zu gewährleisten und unregelmäßige Bewegungen zu verhindern, die auftreten, wenn die Antriebskraft nicht konstant ist. Es verlangsamt die Drehung der Welle, wenn diese zu beschleunigen droht, und zwingt sie zur Bewegung, wenn sie zum Stillstand neigt.

Elastische Elemente

Elastische Elemente speichern Energie durch Verformung unter Krafteinwirkung und geben diese Energie wieder frei, sobald die Kraft nachlässt. Sie können Energie in verschiedenen Formen speichern:

• Zug und Druck (Federn): Dienen zur Absorption von Schwingungen oder zur langsamen Freigabe gespeicherter Energie (z. B. in Fahrzeugaufhängungen).
• Biegung (Flexion): Beispiele sind Blattfedern (Armbrüste oder Stahlplatten), die Energie langsam absorbieren und später freigeben (oft in Spielzeugen verwendet).
• Torsion (Verdrehung): Hierbei absorbiert das Element Energie durch Verdrehung (z. B. Torsionsstäbe, die an einem Ende Drehmomente aufnehmen, während das andere Ende fixiert ist).

Energieverzehrende Elemente: Bremsen

Energieverzehrende Elemente dienen dazu, die Bewegung eines oder mehrerer mechanischer Teile zu reduzieren oder zu beenden. Sie wandeln die kinetische Energie durch Reibung zwischen zwei Teilen in Wärmeenergie um. Diese Elemente werden Bremsen genannt.

Arten von Bremsen

Mechanische Außenbackenbremse

Die Reibung entsteht an der Peripherie einer mit der Welle verbundenen Scheibe. Das Reibstück ist mit einem Material mit hohem Reibungskoeffizienten beschichtet.

Trommelbremse (Innenbackenbremse)

Die Reibung erfolgt an der Innenseite eines zylindrischen Körpers (Trommel), um die Geschwindigkeit zu reduzieren. Der Bremsbacken reibt an der Trommel.

Scheibenbremse

Besteht aus einer Scheibe, die mit der Welle verbunden ist, und zwei Bremsbelägen (Pillen), die von beiden Seiten auf die Scheibe gedrückt werden.

Hydraulische Bremssysteme

Basieren auf dem Pascalschen Prinzip. Ein hydraulisches System nutzt Rohre, um Flüssigkeit zu übertragen. Es besteht aus einem Kolben in einem Rohr und einem Kolben mit größerem Durchmesser.

Elektrische Bremse (Wirbelstrombremse)

Besteht aus einer rotierenden Aluminium- oder Kupferscheibe zwischen zwei festen Polen eines Elektromagneten. Die entstehenden Wirbelströme wirken der Rotation entgegen, was die Drehzahl der Scheibe und der Welle reduziert (häufig in schweren Lastkraftwagen verwendet).

Kupplungen (Clutches)

Kupplungen sind Maschinenelemente, die für die Übertragung der Bewegung zwischen zwei ausgerichteten Wellen verantwortlich sind. Eine Welle empfängt die Bewegung vom Motor, die andere ist die Abtriebswelle.

Betriebszustände

• Eingekuppelt (Engaged): Die Kupplung überträgt die Bewegung zwischen beiden Wellen.
• Neutral: Es findet keine Bewegungsübertragung zwischen den Wellen statt.

Arten von Kupplungen

Reibkupplung (Scheibe)

Besteht aus zwei Scheiben, deren Oberflächen glatt sind und einen hohen Reibungskoeffizienten aufweisen. Beim Kontakt gleichen diese Reibkupplungen die Geschwindigkeiten beider Achsen an (auch konische Bauformen existieren).

Zahnkupplung

Zwei Wellenenden besitzen auf einer Scheibe geschnittene Stirnzähne, die ineinandergreifen.

Hydraulische Kupplung

Das Element zur Übertragung der Bewegung ist eine Flüssigkeit. Die rotierende Antriebswelle treibt die Flüssigkeit an, welche die Kräfte auf eine zweite Turbine überträgt. Bei hoher Geschwindigkeit ist die Verbindung perfekt. Bei niedriger Geschwindigkeit reicht die Kraft der Flüssigkeit nicht aus, um die Abtriebswelle anzutreiben. Dies ist eine automatische Kupplung, die häufig in Lastwagen und Bussen verwendet wird.

Weitere Mechanische Elemente

Lagerungen und Stützen (Support)

Lagerungen sind Vorrichtungen, die dazu dienen, feste oder bewegliche Elemente der Maschine zu halten oder zu stützen. Jedes bewegliche Element benötigt zwei oder mehr Stützpunkte auf einer festen Oberfläche, um die erforderliche Bewegungsrichtung zu gewährleisten.

Lager (Bearings)

Lager sind zylindrische Teile, die zwischen der Maschinenstütze und der Welle oder dem Übertragungselement platziert werden.

Gründe für den Einsatz von Lagern

1. Wenn sich ein Teil relativ zu einem anderen bewegt, tritt häufig Verschleiß auf.
2. Wellen bestehen im Allgemeinen aus demselben Material wie die Stütze.
3. Ohne Lager würden die Halterungen verschleißen, was einen teuren Austausch nach sich ziehen würde.

Arten von Lagern

Gleitlager (Reibungslager)

Dies sind Hohlzylinder, in deren Inneren die Welle oder Achse verläuft. Sie arbeiten durch Reibung und bestehen aus einem weicheren Material als die Welle, um diese zuerst zu schützen. Sie nehmen axiale und radiale Lasten auf.

Wälzlager

Wälzlager bestehen aus zwei konzentrischen Zylindern (einem festen und einem, der sich mit der Achse bewegt) und einem Kranz aus Kugeln oder Rollen, die dazwischen eingeklemmt sind und sich drehen können. Dies führt zu einem geringeren Energieverlust durch Reibung. Sie sind aus Stahl gefertigt. Die Laufflächen, auf denen die Kugeln oder Rollen rollen, müssen ein feines Finish aufweisen und gepflegt sowie gefettet werden, um die Bewegung zu erleichtern und den Verschleiß zu verringern.

Drei Arten von Wälzlagern:

• Radiallager: Widerstehen Kräften entlang des Radius sehr gut.
• Axiallager: Unterstützen große Anstrengungen entlang der Längsachse.
• Gemischte Lager.

Schmierung

Schmierung bedeutet, eine dünne Schicht Öl zwischen zwei sich gemeinsam bewegenden Oberflächen aufzubringen, um direkten Kontakt zu vermeiden. Das am häufigsten verwendete Schmiermittel ist synthetisches Öl, das nach seiner Viskosität klassifiziert wird. Die erforderliche Viskosität hängt vom Schmiermechanismus und den Einsatzbedingungen ab.

Es gibt drei Arten der Schmierung (z. B. manuelle Schmierung oder Tropfschmierung).