Mechanische Elemente: Zahnstangen, Bremsen & Kupplungen

Zahnstangenlenkung

Die Zahnstangenlenkung ist ein normales Getriebe, bei dem ein Zahnrad (Ritzel) mit einer Zahnstange kämmt. Die Zähne sind typischerweise trapezförmig. Der Betrieb dieses Systems ist reversibel.

Abhängig vom Antriebsrad und dessen Befestigung gibt es verschiedene Anwendungen:

• Das Ritzel dreht sich, die Zahnstange ist fixiert, dann bewegt sich das Ritzel. Dieses System wird zum Beispiel bei Winden zur Längsbewegung von Wagen per Hand verwendet.
• Die Zahnstange bewegt sich, während das Ritzel fixiert ist. In diesem Fall dreht sich das Ritzel. Diese Anwendung ist seltener und wurde früher zum Beispiel in mechanischen Rechnern eingesetzt.
• Das Ritzel dreht sich, ohne sich zu bewegen, dann bewegt sich die Zahnstange. Dies ist in vielen Anwendungen wie Bohrmaschinen, Fahrzeuglenkungen und automatischen Garagentoren zu finden.

Schrauben und Muttern

Die am weitesten verbreitete Anwendung von Schrauben und Muttern ist die Umwandlung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung. Sie werden für Längsanwendungen verwendet.

Aus Sicht der Bewegungsumwandlung haben Schrauben und Muttern zwei Hauptanwendungen:

• Zum Heben von Lasten und Halten von Objekten: Beispiele sind der Schraubenheber oder der Schraubstock (Konzept der Spindel).

Ein Gewinde kann als eine schiefe Ebene betrachtet werden, die um einen Zylinder gewickelt ist.

Energieverzehrende Elemente (Bremsen)

Energieverzehrende Elemente haben die Aufgabe, die Bewegung eines oder mehrerer mechanischer Elemente nach Bedarf zu verlangsamen oder zu stoppen. Sie werden verwendet, um die Drehbewegung mechanischer Elemente zu stoppen, indem deren kinetische Energie durch Reibung in Wärmeenergie umgewandelt wird.

Typen von Bremsen

Mechanische Bremsen

• Backenbremse

  Reibung entsteht an der Peripherie einer Scheibe oder Trommel, die fest mit einer Welle verbunden ist. Ein Bremsbelag reibt gegen die Scheibe oder Trommel.

• Trommelbremse

  Die Reibung entsteht im Inneren eines Zylinders (Trommel). Sie besteht aus einem rotierenden Teil, der Trommel (am Rad befestigt), und festen Teilen (am Chassis oder der Karosseriestruktur). Zur Reduzierung der Trommeldrehzahl werden Bremsbacken gegen die Trommel gedrückt.

• Scheibenbremse

  Sie besteht aus einer Scheibe auf der Welle oder Drehachse und zwei Bremsbelägen, die von beiden Seiten auf die Scheibe angewendet werden, um deren Bewegung zu reduzieren.

Elektrische Bremsen

• Wirbelstrombremse

  Sie besteht aus einer Aluminium- oder Kupferscheibe, die sich zwischen zwei festen Polen eines Elektromagneten dreht. Wenn elektrischer Strom durch die Spule fließt, werden Wirbelströme auf der Festplatte induziert, die versuchen, den Elektromagneten anzuziehen. Da sich der Elektromagnet nicht bewegen kann, führt dies zu einer Verlangsamung der Scheibendrehung und damit der Welle oder Achse.

Kupplung

Eine Kupplung ist ein Maschinenelement, das dazu dient, die Bewegung zwischen zwei Wellen zu übertragen. Eine Welle (Antriebswelle) erhält die Bewegung vom Motor, die andere (Abtriebswelle) überträgt die Bewegung an andere Komponenten.

Arten von Kupplungen

• Zahnkupplung

  Beide Wellenenden haben Zähne, die formschlüssig ineinandergreifen.

• Reibungskupplungen

  • Scheibenkupplung

    Sie besteht aus zwei Scheiben, deren Oberflächen glatt sind und einen hohen Reibungskoeffizienten aufweisen, wenn sie in Kontakt kommen. Diese Reibungskupplung verbindet zwei Wellen und gleicht deren Geschwindigkeit an.

  • Konuskupplung

    Besteht aus zwei konischen Teilen, einem weiblichen und einem männlichen, die durch die Wirkung einer axialen Kraft zusammengefügt werden.

• Flüssigkeitskupplung

  Das übertragende Element ist eine Flüssigkeit. Sie besteht aus zwei Turbinen, die jeweils fest mit einer Welle verbunden sind, in einem gegen Wassereintritt abgedichteten Gehäuse. Durch Drehen der Antriebswelle treibt diese die Flüssigkeit mit einer gewissen Kraft an, die den Impuls auf die zweite Turbine überträgt. Bei hohen Geschwindigkeiten ist die Kopplung der beiden Wellen nahezu perfekt, sie laufen mit der gleichen Geschwindigkeit. Bei niedrigen Drehzahlen wird die Kraft der Flüssigkeit nicht vollständig auf die Abtriebswelle übertragen.