Mechanische Bewegungswandler und Verbindungselemente

Mechanische Bewegungswandler

A. Zahnstange und Ritzel

Dies ist ein normales Zahnrad, das mit einem anderen Element kämmt, dessen Radius unendlich ist (Zahnstange). Die Zähne der Zahnstange sind trapezförmig. Die Funktionsweise dieses Systems ist reversibel. Je nachdem, welches Rad antreibt und ob es fest oder beweglich ist, ergeben sich folgende Fälle:

• Das Ritzel dreht sich und die Zahnstange ist fixiert: In diesem Fall bewegt sich das Ritzel. Dieses System wird beispielsweise bei Windenwagen verwendet, um eine Längsbewegung zu erzeugen.
• Die Zahnstange bewegt sich, während das Ritzel feststeht: Hierbei dreht sich das Ritzel an einer festen Position. Dies hat derzeit nur sehr wenige Anwendungen; früher wurde es in mechanischen Rechenmaschinen eingesetzt.
• Das Ritzel dreht sich ortsfest und die Zahnstange bewegt sich: Dies findet Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen, wie bei Bohrmaschinen, Automobil-Steuerungen und automatischen Garagentoren.

B. Schraube und Mutter

Die häufigste Anwendung besteht darin, die Schraube oder die Mutter in Rotation zu versetzen. In diesem Modus bewegt sich die Mutter in Längsrichtung. Anwendungen von Schrauben und Muttern: Aus Sicht der Bewegungsumwandlung gibt es zwei Hauptanwendungen:

• Um Objekte zu bewegen und Lasten zu halten: Zum Beispiel beim Wagenheber oder an einer Werkbank.
• Um Objekte präzise zu platzieren: Beispielsweise im Mechanismus zur Justierung eines Fernglases.

C. Nocken und Exzenter

Dies sind Elemente, welche die Kreisbewegung einer Welle in eine geradlinige oder kreisförmige Hubbewegung umwandeln; diese Bewegung ist nicht umkehrbar.

Exzenter: Es handelt sich um eine Scheibe oder einen Zylinder, deren Rotationsachse nicht mit dem geometrischen Zentrum übereinstimmt. Der Abstand zwischen der Mitte der Scheibe und der Welle wird als Exzentrizität bezeichnet. Die Bewegung des Exzenter-Anhängers erfolgt in einem reibungslosen Dauerbetrieb.

Nocken: Dies ist ein Stück Metall oder Kunststoff mit einer bestimmten Form, das an einer Welle befestigt ist. Die Drehung bewirkt die Verschiebung eines Anhängers (Follower). Es gibt zwei Typen:

• Linearnocken: Sie haben nur sehr wenige Anwendungen.
• Scheibennocken: Die maximale Auslenkung, die der Anhänger erfährt, ist als Hub bekannt. Die Rückstellung des Anhängers erfolgt meist durch eine Feder.

Gliederung nach Follower-Methode:

• Peripher: Sie verursachen eine oszillierende lineare Bewegung des Anhängers, je nach Form des Nockens. Der Kontakt kann direkt oder über Rollen erfolgen.
• Oszillierend: Der Anhänger beschreibt eine kreisförmige Bahn. Die Kontaktfläche sollte stets geschmiert werden.

Form der Nocken:

• Aus dem Album (Scheibennocken): Dies sind die am häufigsten verwendeten. Sie dienen zum Beispiel zum Öffnen und Schließen von Ventilen in Verbrennungsmotoren.
• Zylinder: Verursacht eine bestimmte lineare Verschiebung eines Stabes.
• In-Box: Die Herstellung ist kompliziert und teuer; sie werden für spezifische Anwendungen genutzt.

D. Kurbeltrieb (Kurbel-Pleuel-Kolben)

Dieses System kann eine kreisförmige Bewegung in eine lineare umwandeln oder umgekehrt. Es besteht aus drei Teilen: Kurbel, Pleuel und Kolben. Aus industrieller Sicht werden diese Eigenschaften für zwei verschiedene Maschinentypen genutzt:

• Transformation der Kreisbewegung in eine lineare Bewegung: Das antreibende Element ist das Rad (an der Achse eines Motors) und das geführte Element ist der Kolben. Dies wird bei Maschinen wie Sägen oder Kompressoren eingesetzt.
• Transformation der linearen Bewegung in eine kreisförmige Bewegung: Diese Option wird üblicherweise in Verbrennungsmotoren (Kurbelwelle) genutzt.

E. Sperrklinke (Ratschenmechanismus)

Ratschen haben die Aufgabe, die Rotation einer Welle in einer Richtung zu verhindern und in der anderen zu erlauben. Sie bestehen aus einem Zahnrad und einer Sperrklinke, die durch Federkraft oder Eigengewicht in die Zähne greift. Es gibt reversible und nicht-reversible Arten.

F. Freilauf

Dies ist ein Element auf einer Welle, das die Übertragung des Drehmoments nur in einer Richtung erlaubt. So kann die Antriebswelle die Abtriebswelle mitnehmen, aber nicht umgekehrt. Wenn die getriebene Welle schneller dreht als die Motorwelle, werden beide entkoppelt (z. B. beim Fahrrad durch eine Reihe von Rollen und Federn).

Mechanische Verbindungselemente

Die wichtigsten Verbindungssysteme sind:

• Lösbar: Ermöglichen das einfache Trennen der Teile, ohne die Verbindungselemente oder die Teile selbst zu beschädigen.
• Nicht lösbar oder fest: Diese sind für Teile gedacht, deren Trennung während der Lebensdauer der Struktur nicht vorgesehen ist. Zur Trennung muss das Verbindungselement zerstört werden.

A. Lösbare Verbindungen

Gewindeverbindungen: Die Elemente sind Muttern und Gewindebolzen. Ihre Verwendung in allen Arten von Maschinen ist sehr verbreitet. Es gibt eine Vielzahl von Formen und Größen:

• Schraube und Mutter: Eine Schraube, die in eine Mutter greift. Die zu verbindenden Teile selbst haben kein Gewinde; die Löcher sind etwas größer als der Schraubendurchmesser.
• Schraubverbindung: Ähnlich wie oben, jedoch wird keine Mutter verwendet. Das Gewinde befindet sich direkt in einem der zu verbindenden Teile.
• Stiftschrauben (Madenschrauben): Diese werden in ein Teil eingeschraubt und fixieren ein anderes Teil, um ein Verdrehen oder Verschieben zu verhindern.
• Stehbolzen: Gewindestangen ohne Kopf, die an beiden Enden Gewinde haben. Sie werden oft bei teuren Metallteilen verwendet, um das Grundgewinde bei häufigem Auseinanderbauen zu schonen.
• Stifte: Dienen zum Verbinden mehrerer Teile. Je nach Funktion gibt es Passstifte, Gelenkstifte oder Verankerungsstifte.
• Blechschrauben: Werden verwendet, um dünne Metallbleche zu verbinden. Sie schneiden ihr Gewinde beim Einschrauben selbst.
• Holzschrauben: Werden für Holzverbindungen genutzt. Bei kleinen Durchmessern ist kein Vorbohren notwendig.

Andere wichtige Gelenke:

• Bolzen: Zylindrische oder konische Elemente, um Maschinenteile zusammenzuhalten, meist für geringe Kraftübertragungen.
• Passfedern und Keile: Diese prismatischen Stahlteile werden in Nuten zwischen zwei Bauteilen eingesetzt, um Drehmomente zu übertragen.
• Führungen: Ermöglichen die gezielte Bewegung eines Teils relativ zu einem anderen. Verwendet werden Profile wie Rechteck-, T-, Schwalbenschwanz- oder V-Führungen.
• Knöpfe und Knopflöcher: Häufig in der Textilindustrie verwendet.
• Klettverschluss: Kunststoffstreifen, die bei Kontakt aneinanderhaften.
• Haken: Zwei Teile, die durch Druck ineinandergreifen und so eine Fixierung ermöglichen.

B. Feste Verbindungen

Die am häufigsten eingesetzten festen Systeme sind:

• Nieten: Zylindrische Stifte mit einem Kopf, die Bleche dauerhaft verbinden. Sie bestehen aus weichen Metallen wie Stahl, Aluminium oder Messing. Der Vorgang umfasst das Kürzen des Niets auf die richtige Länge, das Bohren eines passenden Lochs und das Formen eines Schließkopfes auf der Gegenseite.
• Schwerlastnieten: Verschlüsse mit einem Durchmesser von mehr als 10 mm, die oft im Heißnietverfahren verarbeitet werden.
• Presspassung: Entsteht, wenn der Wellendurchmesser größer als das Loch ist. Bei großen Differenzen muss das Teil mit dem Loch erwärmt werden (Schrumpfpassung), bei kleinen Differenzen erfolgt das Einpressen manuell oder mechanisch.
• Kleben: Verbinden von Flächen durch eine Klebstoffschicht mit hoher Haftkraft. Es gibt natürliche Klebstoffe (Latex, Gummi arabicum) oder synthetische Harze (Epoxidharz, Vinylharz).
• Schweißen: Man unterscheidet Kalt- und Warmweißverfahren. Kaltschweißen (Klebe-Verbund): Besteht oft aus Metallpulver und Kunstharz, die gemischt werden und zwischen den Teilen aushärten.