Mechanische Elemente: Bewegungstransformation und Verbindungen

Mechanische Elemente zur Bewegungstransformation

A. Zahnstange und Ritzel

Dies ist ein normales Zahnrad (Ritzel), das mit einem anderen verzahnt ist, dessen Radius unendlich ist (Zahnstange). Je nachdem, welches das Antriebsrad ist und ob es fest oder beweglich ist, ergeben sich folgende Anwendungen:

• Das Ritzel dreht und ist fixiert, während sich die Zahnstange bewegt. (Zum Beispiel in mechanischen Rechenmaschinen).
• Die Zahnstange ist fixiert, während sich das Ritzel dreht und bewegt. (Zum Beispiel bei Drehbänken).
• Das Ritzel dreht sich, ohne sich zu bewegen; die Zahnstange bewegt sich. (Zum Beispiel in der Automobil-Lenkung und bei automatischen Garagentoren).

B. Schraube und Mutter

Die häufigste Anwendung besteht darin, eine Schraube zu drehen und die Drehung der Mutter zu verhindern.

Helix-Konzept

Wickelt man eine schiefe Ebene (Rampe) um einen Zylinder, so nimmt die Rampe die Form einer Schraube an. Wenn die Schraubenlinie auf einem sehr langen, dreieckigen Gummistreifen befestigt ist, entsteht ein Gewinde.

Anwendungen von Schrauben und Muttern

Aus Sicht der Bewegungsumwandlung dienen Schrauben und Muttern zwei Hauptanwendungen:

• Zum Heben von Lasten und Halten von Objekten: Wagenheber und Schraubstock.
• Zur präzisen Positionierung von Gegenständen.

C. Exzenter und Nocken

Sie sind Elemente, die die Kreisbewegung der Welle in eine oszillierende, geradlinige oder kreisförmige Bewegung umwandeln.

Exzenter

Ein Exzenter ist eine Scheibe oder ein Zylinder, dessen Rotationsachse nicht mit seinem geometrischen Mittelpunkt zusammenfällt. Der Abstand zwischen der Mitte der Scheibe und der Welle wird als Exzentrizität bezeichnet.

Nocken

Ein Nocken ist ein Metall- oder Kunststoffteil mit einer bestimmten Form, das mit einer Welle verbunden ist und die Verschiebung eines Stößels oder eines Folgers bewirkt. Es gibt zwei Arten von Nockenbewegungen:

• Lineare Nocken: Haben nur sehr wenige Anwendungen.
• Horizontale Nocken: Die maximale Auslenkung des Folgers wird als Hub bezeichnet. Die Rückführung des Folgers kann durch Schwerkraft oder Federkraft erfolgen.

Je nach Form und Funktionsweise des Folgers werden Nocken in folgende Typen eingeteilt:

• Form des Folgers:
  • Geradlinig (Peripheral): Verursacht eine hin- und hergehende lineare Bewegung des Folgers, abhängig von der Form des Nockens und des Folgers.
  • Oszillierend: Beschreibt eine alternative Kreisbewegung.
• Form des Nockens:
  • Scheibennocken (Disco): Sind am weitesten verbreitet und werden zum Öffnen und Schließen von Ventilen verwendet.
  • Zylindernocken: Bewirken, dass sich der Stößel axial dreht.
  • Stirnnocken (Cash): Ihre Herstellung ist kompliziert; die Bewegung wird durch die Stirnflächen bestimmt.

D. Kurbel-Pleuel-Kolben

Dieses System kann eine kreisförmige Bewegung in eine lineare umwandeln oder umgekehrt. Es besteht aus drei Hauptteilen, die ihm seinen Namen geben: Kurbel, Pleuel und Kolben. In der Industrie werden diese Eigenschaften zur Herstellung verschiedener Maschinen genutzt:

• Transformation der Kreisbewegung in eine lineare Bewegung (Kurbel-Pleuel-Kolben): Das führende Element ist das Rad (an der Achse eines Motors), das den Kolben antreibt.
• Transformation der linearen Bewegung in eine kreisförmige Bewegung (Kolben-Pleuel-Kurbelwelle): Diese Möglichkeit wird häufig in Verbrennungsmotoren verwendet.

Bei der Explosion im Zylinder, verursacht durch die Verbrennung eines Kohlenwasserstoffs mit Sauerstoff, bewegt sich der Kolben und bewirkt eine halbe Umdrehung der Kurbel. Die folgenden Zündungen sorgen für die Bewegung der anderen drei Kolben in der richtigen Reihenfolge. Das Element, das jeden Kolben ordnungsgemäß an der richtigen Stelle platziert, ist die Kurbelwelle.

Die Kurbelwelle besteht aus einem Hauptlagerzapfen, der auf Stützen ruht, und einem Kurbelzapfen, an dem das Pleuel befestigt wird. Dieses Element ist Biege- und Torsionskräften ausgesetzt und muss statisch und dynamisch ausgewuchtet werden.

E. Ratsche

Ratschen dienen dazu, die Rotation einer Welle in einer Richtung zu verhindern und in der anderen zu ermöglichen. Sie bestehen im Wesentlichen aus einem Zahnrad und einer Klinke, die durch die Wirkung einer Feder oder durch ihr Eigengewicht zwischen die Zähne des Rades eingefügt wird. Die Klinke verhindert die Drehung in eine Richtung und ermöglicht sie in die andere.

Ratschen können als reversibel (wobei die Sperrrichtung je nach Bedarf zugeordnet werden kann) und irreversibel (die Drehrichtung wird immer in die gleiche Richtung blockiert) ausgeführt werden.

F. Freilauf

Ein Freilauf ist ein Element, das auf einer Welle oder Achse angebracht wird, um die Antriebswelle zu entkoppeln, wenn die Widerstandswelle schneller dreht als die Antriebswelle. Das heißt, beide Achsen werden entkoppelt, wenn die Widerstandswelle die Geschwindigkeit der Antriebswelle überschreitet.

Häufige Anwendungen des Freilaufs:

• Hinterrad von Fahrrädern.
• Auto-Anlasser: Er kann die Bewegung vom Anlasser zum Motor übertragen. Sobald der Motor läuft und seine Geschwindigkeit die des Anlassers überschreitet, wird der Freilauf bei hohen Drehzahlen ausgekuppelt, um den Elektromotor nicht zu beschädigen.

Verbindung mechanischer Elemente

Die wichtigsten Verbindungsarten sind:

• Lösbar: Ermöglichen die einfache Trennung von Teilen, ohne das Verbindungselement oder die Teile selbst zu beschädigen.
• Fest oder unlösbar: Sie sind für Teile vorgesehen, deren Entfernung während der Lebensdauer der Maschine oder Struktur nicht erwartet wird, oder die aus Sicherheitsgründen fest verbunden sein müssen.

A. Lösbare Verbindungen

Gewindeverbindungen

Die wichtigsten Elemente sind Schrauben und Muttern mit Gewinde.

• Schraube und Mutter: Eine Schraube, die in eine Mutter geschraubt wird.
• Stellschraube (Klemmschraube): Schrauben, die keine separate Mutter verwenden. Das Gegenstück dient als Mutter.
• Stehbolzen (Prisoners): Schrauben, die in ein Gewindeloch geschraubt werden und dort verbleiben, während das andere Teil darüber geführt wird.
• Gewindestangen (Spargel): Stangen, die an beiden Enden Gewinde aufweisen, während der mittlere Teil gewindefrei ist.
• Bolzen: Werden verwendet, um mehrere Teile miteinander zu verbinden.
• Blechschrauben: Werden verwendet, um dünne Metallteile zu verbinden. Sie haben die Eigenschaft, sich beim Eindrehen selbst ein Gewinde zu schneiden.
• Holzschrauben: Werden verwendet, um Holzstücke oder Holzprodukte zu verbinden.

Andere lösbare Verbindungselemente

Diese sind aus industrieller Sicht ebenfalls sehr wichtig:

• Stifte: Zylinderförmige Teile, die verwendet werden, um Maschinenelemente zusammenzuhalten.
• Keile/Passfedern (Dübel): Prismatische Stahlteile, die zwischen zwei zu verbindenden Teilen stehen und eine gemeinsame Kraftübertragung zwischen ihnen ermöglichen.
• Passfedern (Tabs): Prismatische Stahlteile, die es dem Teil ermöglichen, sich mit einer Längsnut über das Teil zu bewegen, das die Feder hält.
• Führungen (Guides): Ihr Ziel ist es, die Bewegung eines Teils relativ zu einem anderen zu ermöglichen.
• Knopf und Knopfloch: Wird in der Textilwelt eingesetzt.
• Klettverschluss (Velcro): Kunststoffstreifen, die sich bei Kontakt aneinanderheften. Sie werden durch Ziehen getrennt.
• Haken: Zwei Metallteile, die bei Druck aneinander das Zusammenhalten von zwei Kleidungsstücken ermöglichen.

B. Feste Verbindungen

Nieten (Kaltnieten)

Zylindrische Stäbchen mit einem Kopf auf einer Seite, die verwendet werden, um mehrere dünne Bleche oder Teile dauerhaft zu verbinden.

Warmnieten

Nieten mit einem Durchmesser von mehr als 10 mm. Der Nietprozess erfolgt bei 800 °C im Falle von Stahl, wobei das Material erhitzt wird.

Presspassung (Festsitz)

Eine Presspassung entsteht, wenn der Wellendurchmesser größer ist als das Loch, in das sie eingeführt wird.

Kleben (Bonding)

Die Verbindung zweier Oberflächen durch Zwischenschalten einer Schicht aus einem Material mit hoher Haftfestigkeit. Diese Schicht wird auf die Kontaktfläche zwischen den beiden Teilen aufgetragen. Anschließend werden die Oberflächen unter leichtem Druck zusammengefügt, bis die Klebstoffschicht trocken ist.

Verbindung durch Schweißen

Es gibt zwei Arten des Schweißens: Kalt- und Warmschweißen.

• Kaltschweißen: Meistens bestehend aus einem Metallpulver und einem Kunststoffharz, die getrennt geliefert werden. Zum Zeitpunkt des Schweißens werden sie gemischt und zwischen die zu verbindenden Teile gegeben, wo sie aushärten. Mit diesen Verbindungen werden Festigkeiten von bis zu 350 kg/cm² erreicht. Sie haben den Vorteil, Metallteile aus verschiedenen Materialien sowie Metalle und Nichtmetalle zu verbinden.
• Warmschweißen: Besteht aus der Verbindung von zwei oder mehr Metallen, wobei Wärme in die Verbindungsstelle eingebracht wird, bis das Lot schmilzt und die beiden Oberflächen vereinigt, oder bis das Material der Teile selbst schmilzt und miteinander verschmilzt. Wenn das Lot dem Material der Teile ähnlich ist, spricht man von homogenem Schweißen; wenn es sich unterscheidet, von heterogenem Schweißen.

Arten des Schweißens

• Weichlöten: Eine heterogene Schweißart, die bei Temperaturen bis zu 400 °C angewendet wird. Als Füllstoff wird eine Metalllegierung aus Zinn und Blei verwendet, die typischerweise bei 230 °C schmilzt. Es wird zum Löten von elektronischen Bauteilen, elektrischen Leitungen usw. verwendet.
• Hartlöten: Eine heterogene Schweißart, bei der die Temperatur bis zu 1000 °C erreicht. Das notwendige Füllmaterial sind stangenförmige Metallstäbe aus Messing oder Silbermessing und ein Antioxidationsmittel. Die Wärmequelle ist ein Gasbrenner.
• Autogenschweißen: Die benötigte Wärme wird durch die Flamme eines Brenners erzeugt, der mit Acetylen und Sauerstoff betrieben wird. Die Sauerstoffflamme wird durch die Verbrennung der Mischung aus Sauerstoff und Acetylen in der Brennerspitze erzeugt.
• Lichtbogenschweißen (Elektrisches Schweißen): Wird verwendet, um Metallteile, meist aus Stahl, zu verbinden. Es besteht darin, einen Lichtbogen zwischen zwei Elektroden zu erzeugen. Die dabei entstehende Wärme schmilzt einen Teil der zu verbindenden Stücke.