Mechanismen und Maschinen: Aufbau, Typen und Funktion

Mechanismen und mechanische Systeme

Ein Mechanismus besteht aus starren Körpern (Gliedern), die durch Gelenke verbunden sind. Die Glieder sind bewegliche Teile, die Gelenke ermöglichen die Relativbewegung zwischen ihnen. Ein Glied, das als feststehend betrachtet wird, heißt Gestell.

Mechanismen können Geschwindigkeiten, Wege, Kräfte oder die Art der Energie verändern. Ein mechanisches System ist eine Kombination mehrerer Mechanismen, die Energie über intermediäre Transformationen überträgt.

Einteilung der Mechanismen

Mechanismen lassen sich nach verschiedenen Kriterien klassifizieren:

• Nach der Anzahl der Glieder: Einfache Mechanismen bestehen aus zwei Gliedern (Gestell und Glied). Zusammengesetzte Mechanismen bestehen aus mehreren Gliedern.
• Nach der Bewegungsform: Geschlossene Mechanismen (Kette ist geschlossen) und offene Mechanismen (Kette ist nicht geschlossen, z. B. Roboterarme).
• Nach der Art der Bewegung: Mechanismen, die geradlinige Bewegungen in Drehbewegungen umwandeln, Drehbewegungen in geradlinige Bewegungen oder Drehbewegungen in andere Drehbewegungen.

Mechanismen für geradlinige Bewegungen

Geradlinige Bewegungen werden häufig mit folgenden Elementen umgesetzt:

• Hebel: Ein starrer Stab, der sich um einen Punkt (Drehpunkt bzw. Auflager) drehen kann. Man unterscheidet drei Hebelarten: Beim Hebel erster Art liegt der Drehpunkt zwischen Kraft- und Lastangriff. Beim Hebel zweiter Art liegt die Last zwischen Drehpunkt und Kraftangriff. Beim Hebel dritter Art liegt der Kraftangriff zwischen Drehpunkt und Last.
• Rollen: Scheiben, die um eine feste Achse drehbar sind. Sie können fest montiert oder beweglich angeordnet werden. Kombinationen mehrerer Rollen bilden Flaschenzüge, bei denen die Kraft vervielfacht wird.

Mechanismen für Drehbewegungen

Zur Übertragung und Veränderung von Drehzahlen und Drehmomenten dienen unter anderem:

• Reibradgetriebe: Zwei Scheiben oder Räder stehen in Berührung. Das Antriebsrad überträgt seine Drehung durch Reibung auf das angetriebene Rad. Kegelreibräder werden verwendet, wenn sich die Achsen schneiden.
• Riemen- und Kettenübertragung: Bei großem Achsabstand werden Riemen oder Ketten eingesetzt. Riemen arbeiten reibschlüssig, Ketten formschlüssig über Zähne bzw. Nocken; Ketten rutschen nicht.
• Zahnradgetriebe: Zylindrische und konische Zahnräder übertragen Drehbewegungen zwischen parallelen oder sich schneidenden Achsen.

Zahnradarten

• Gerade Stirnräder (Geradverzahnung): Die Zähne verlaufen parallel zur Achse.
• Schrägverzahnte Räder: Die Zähne sind schräg zur Achse angeordnet, wodurch der Lauf ruhiger wird.

Wichtige Begriffe sind dabei: Teilkreis, Kopfkreis, Fußkreis, Zahnkopfhöhe, Zahnfußhöhe, Zahnhöhe, Zahndicke, Teilung (Circular Pitch) und Eingriffswinkel.

Bei schrägverzahnten Rädern unterscheidet man die Stirnebene, die Normalebene und die Axialebene.

Weitere Getriebe

• Kegelradgetriebe: Übertragen Drehbewegungen zwischen sich schneidenden Achsen.
• Malteserkreuz: Wandelt eine kontinuierliche Drehbewegung in eine intermittierende (schrittweise) Drehbewegung um.
• Schwingende Kulisse: Ein Element treibt über eine Kulisse ein anderes Element an; der Bewegungsablauf umfasst vier Abschnitte: Anhebung, Verweilen, Rücklauf und Ausgangsposition.

Mechanismen zur Umwandlung von Drehbewegungen in geradlinige Bewegungen

• Lineare Kulisse: Der Schieber führt eine geradlinig-hin- und hergehende Bewegung aus, wenn er von der Kulisse geführt wird. Die maximale Verschiebung des Schiebers wird als Hub bezeichnet.
• Zahnstange und Ritzel: Ein Zahnrad (Ritzel) läuft in einer geraden Zahnstange und wandelt so Drehung in Linearbewegung um.
• Schraubentrieb (Spindel): Eine Gewindespindel mit Mutter wandelt Drehung in eine lineare Bewegung um. Gewinde können unterschiedliche Profile haben, z. B. rechteckig, dreieckig oder trapezförmig.

Mechanismen zur Umwandlung von geradlinigen in Drehbewegungen

• Kurbeltrieb: Wandelt die geradlinige Hin- und Herbewegung eines Kolbens in eine Drehbewegung um. Er wird unter anderem in Verbrennungsmotoren (Hubkolbenmotoren) eingesetzt.