Bewertung mechanischer Eigenschaften zur Auswahl der Materialdicke
Mit unserer großen Auswahl an hochwertigen Materialien und den zahlreichen verfügbaren Materialstärken kann die Auswahl der richtigen Stärke für Ihr…
Die Kraftübertragung ist ein Prozess, der in nahezu jeder Maschine erforderlich ist. Von den winzigen Motoren in ausfahrbaren Selfie-Kameras bis zu den innovativen Übertragungsleitungen des Large Hadron Collider – Anwendungen der Kraftübertragung sind überall um uns herum. Wir nutzen Methoden der Kraftübertragung, um Energie vom Antriebselement auf die angetriebene Maschine zu übertragen und deren Funktion zu ermöglichen.
Es gibt vier Hauptarten der Kraftübertragung – mechanisch, elektrisch, hydraulisch und pneumatisch. In diesem Artikel beschäftigen wir uns mit der mechanischen Kraftübertragung, ihren Typen sowie den jeweiligen Vor- und Nachteilen.
Mechanische Kraftübertragung bezeichnet die Übertragung mechanischer Energie (physische Bewegung) von einer Komponente zur anderen innerhalb von Maschinen. Die meisten Maschinen benötigen irgendeine Form der mechanischen Kraftübertragung. Typische Beispiele sind elektrische Rasierer, Wasserpumpen, Turbinen und Automobile.
In den meisten Fällen wird die Drehbewegung des Antriebselements in die Drehbewegung der angetriebenen Maschine umgewandelt. Dabei sich Geschwindigkeit, Drehmoment und Richtung verändern.
Gelegentlich wird die Drehbewegung auch in eine translatorische Bewegung (Hin- und Herbewegung) umgewandelt, je nach den funktionalen Anforderungen der Anwendung. Solche Änderungen werden durch Gestänge oder andere Maschinenelemente realisiert.
Verschiedene Maschinenelemente können die Kraft zwischen Wellen in Maschinen übertragen. Die gängigsten Methoden der mechanischen Kraftübertragung im heutigen Ingenieurwesen sind:
Wellenkupplungen verbinden zwei Wellen miteinander und übertragen das Drehmoment zwischen ihnen. Die Wellen können fluchtend, sich schneidend aber nicht parallel oder aber weder schneidend noch parallel zueinander angeordnet sein. Zur Erfüllung unterschiedlichster Anforderungen und Einsatzbedingungen gibt es verschiedene Kupplungstypen und -größen.
Grundsätzlich unterscheidet man zwischen starren und flexiblen Kupplungen. Starre Kupplungen erlauben keine Relativbewegung zwischen den Wellen, während flexible Kupplungen dies zulassen und so auch geringe Winkelfehler ausgleichen können.
Einige Kupplungen, wie z. B. Muffenkupplungen, lassen sich montieren, ohne die Wellen zu bewegen. Die meisten anderen erfordern jedoch eine Bewegung der Wellen für Montage oder Demontage.
Zu den Riemenarten gehören Flachriemen, Keilriemen und Zahnriemen.
Riemenantriebe sind in industriellen Anwendungen sehr verbreitet. Ein Riemenantrieb besteht aus zwei Riemenscheiben und einem Riemen (oder Seil). Der Riemen greift fest auf beide Scheiben und überträgt die Kraft durch Reibung vom Antrieb auf die angetriebene Welle. Der Riemenantrieb eignet sich sowohl für niedrige als auch sehr hohe Geschwindigkeiten und findet deshalb unter anderem in Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie Kompressoren Einsatz.
Wie bei anderen Antriebsarten gibt es auch hier zahlreiche Ausführungen, die für spezielle Anwendungen optimiert sind. Riemen können mehrere parallele Scheiben antreiben und die Geschwindigkeit nach Bedarf ändern. Sie können Stöße bis zu einem gewissen Grad abfedern und so andere Antriebsteile schützen. Beide Scheiben drehen sich in dieselbe Richtung, es sei denn, es handelt sich um einen Kreuzriemenantrieb. Es gibt drei Haupttypen von Riemen: Flachriemen, Keilriemen und Zahnriemen.
Flachriemen eignen sich für allgemeine Anwendungen mit niedrigen bis mittleren Drehmomenten. Typische Anwendungsbeispiele sind Schleifmaschinen, Separatoren, Rollenförderer, Lüfter, Wasserturbinen usw. Flachriemen sind umkehrbar und können Kraft von beiden Seiten übertragen. Es gibt keinen Keileffekt, wodurch Energieverluste minimal sind und die mechanische Effizienz über 98 % betragen kann. Sie sind relativ unempfindlich gegen Staub und Schmutz und haben daher eine längere Lebensdauer als andere Alternativen.
Keilriemen sind besser für mittlere bis hohe Drehmomentanforderungen geeignet. Ein Keilriemen hat innen Rillen, die in die Keilnuten der Riemenscheiben passen. Die antreibende Welle zieht den Riemen über die Rillen und bewegt damit die angetriebene Scheibe. Durch den Keileffekt entstehen jedoch Verluste, die die Effizienz gegenüber Flachriemen mindern. Keilriemen sind weniger resistent gegenüber Staub und Schmutz.
Zahnriemen, auch als Synchronriemen bekannt, besitzen auf der Innenseite Zähne, die in gezahnte Riemenscheiben oder Kettenräder greifen. Dieser Antrieb findet sich in Anwendungen mit hoher Leistungsübertragung und präzisem Timing. Zahnriemen werden beispielsweise in Auto- und Motorradmotoren zur Steuerung und Synchronisation der Nockenwellen eingesetzt.
Kettenantriebe werden eingesetzt, um Kraft zwischen weiter entfernten Komponenten zu übertragen. Diese Antriebe bestehen aus einer Rollenkette und zwei oder mehr Kettenrädern. Die Zähne des Antriebsrades greifen in die Rollenkette und übertragen das Drehmoment auf das Abtriebsrad. Kettenantriebe finden sich häufig in Fahrrädern und Motorrädern, sind aber auch in industriellen Maschinen weit verbreitet.
Durch Umlenkrollen lassen sie sich auch in beengte Räume integrieren. Kettenantriebe werden dort eingesetzt, wo präzises Timing entscheidend ist und Schlupf zu Problemen führen würde – etwa bei Schiffs-Dieselmotoren, als Steuerkette für die Kraftübertragung von der Kurbelwelle zur Nockenwelle. Die Nockenwelle steuert das Auslassventil und die Einspritzung; ist das Timing falsch, leidet der Motor.
Zahnradantriebe nutzen Zahnräder zur Übertragung von Bewegung und Kraft von einer Welle auf eine andere. Sie bestehen aus einem Antriebszahnrad (auf der Eingabewelle) und einem Abtriebszahnrad (auf der Ausgangswelle). Die Kraftübertragung erfolgt durch das Ineinandergreifen der Zahnflanken. Dank zahlreicher Bauformen können sie in verschiedenen Anordnungen und Anwendungen eingesetzt werden.
Ein Zahnradantrieb kann höhere Lasten übertragen als ein Kettenantrieb, ist jedoch nur für kurze Distanzen geeignet, da Zahnräder direkten Kontakt benötigen. Durch den Einsatz mehrerer Zahnräder in einem Getriebe lassen sich Übersetzungsverhältnis, Drehzahl, Drehmoment und Richtung anpassen. Zu viele Zahnräder in einem System senken allerdings den Wirkungsgrad.
Zahnräder rutschen nicht durch, können aber im Laufe der Zeit Spiel (Backlash) entwickeln. Das ist der Spalt zwischen zwei zueinander stehenden Zahnflanken auf dem Teilkreis. Bei niedrigen Leistungen verursacht das nur minimale Abweichungen. Bei hohen Leistungen kann das Spiel jedoch Schläge durch das gesamte Getriebe schicken und im Extremfall die Zähne beschädigen.
Maschinenschraubstöcke nutzen Trapezgewindespindeln, um Drehbewegung in Linearbewegung umzuwandeln.
Trapezgewindespindeln, auch Leitspindeln oder Umwandlungsspindeln genannt, sind Schrauben, die Kraft übertragen oder aufnehmen. Sie unterscheiden sich von Verbindungsschrauben, die vorübergehende Verbindungen herstellen. Eine Trapezgewindespindel besteht aus Spindel und Mutter, die zur Kraftübertragung miteinander in Eingriff stehen.
In einigen Fällen ist die Mutter stationär und die Spindel bewegt sich (z. B. Wagenheber, Schraubstock). In anderen Fällen ist die Mutter das Antriebselement und die Spindel bleibt fest (z. B. Leitspindel einer Drehmaschine).
Trapezgewindespindeln sind während des Betriebs erheblichen axialen, horizontalen und vertikalen Kräften ausgesetzt und müssen daher ausreichend stark und tragfähig sein.
Man findet sie u. a. in Wagenhebern, Drehmaschinen, Schraubstöcken und mechanischen Pressen. Sie nutzen dasselbe Prinzip wie Verbindungsschrauben und wandeln Drehbewegung in Linearbewegung um, wodurch der Kraftaufwand zum Bewegen, Heben oder Spannen verringert wird. Je kleiner die Steigung, desto leichter lassen sich mit Spindeln Lasten bewegen oder Objekte spannen. Das gebräuchlichste Gewindeprofil für Trapezgewindespindeln ist das Vierkantprofil, gefolgt von dem Trapez- und dem Sägegewinde.
Die Auswahl der passenden Kraftübertragungsmethode kann eine Herausforderung sein. Wie oben ausgeführt, hat jede Methode ihre Vor- und Nachteile. In manchen Punkten sind die Unterschiede offensichtlich, in anderen eher subtil.
Manchmal verbessern Unterkategorien einer bestimmten Übertragungsart die Leistung in speziellen Aspekten. Arbeiten Ingenieure jedoch von den gewünschten Eigenschaften der Übertragung rückwärts, lassen sich die Optionen eingrenzen und die Auswahl erleichtern.
Im Folgenden werden fünf wichtige Faktoren vorgestellt, die Ihnen helfen, die passende Kraftübertragungsmethode für Ihre Anwendung zu wählen:
Wellen können parallel, sich schneidend, nicht-parallel aber schneidend oder weder parallel noch schneidend zueinander stehen. Einige Übertragungsmethoden erfordern, dass keine Relativbewegung zwischen den Wellen stattfindet (z. B. Zahnrad-, Ketten- und Riemenantriebe). Andere können kleinere Fehlstellungen ausgleichen (z. B. flexible Wellenkupplungen).
Der Abstand zwischen Energiequelle und Last kann die Auswahl weiter eingrenzen. Bei größeren Abständen zwischen den Wellen empfiehlt sich ein Riemen- oder Kettenantrieb. Für kurze Distanzen sind Wellenkupplungen und Zahnradantriebe besser geeignet.
Für Anwendungen mit hohem Drehmoment sind Kettenantriebe geeignet, da Riemenantriebe durchrutschen können. Für geringe Drehmomente eignen sich Flachriemenantriebe und Trapezgewindespindeln.
Materialien wie Gummi und synthetische Werkstoffe sind für hohe Temperaturen ungeeignet. Werden solche Werkstoffe für Riemen verwendet, verschleißen sie rasch.
Alternativen wie Ketten- und Zahnradantriebe sind für hohe Temperaturen besser geeignet, da sie sich schnell anpassen und effizient arbeiten. Solche Systeme können auch mit Ölkühlung betrieben werden. Das Öl, das den Motor kühlt, kann gleichzeitig das Antriebssystem schmieren. Bei Riemen aus Gummi ist das nicht möglich, da das Öl das Material zerstören würde.
Wartungsthemen wie Spannung, Verschleiß, Ausrichtung und Schmierung helfen dem Ingenieur, die geeignete Methode für die mechanische Kraftübertragung zu bestimmen.
Mechanische Kraftübertragungsmethoden sorgen dafür, dass die Last zuverlässig und effizient mit Energie versorgt wird. Unterschiedliche Branchen setzen verschiedene Produkte zur mechanischen Kraftübertragung ein – teils auch eine Kombination mehrerer Methoden, um ihren jeweiligen Anforderungen gerecht zu werden.
Mitunter sind für eine Anwendung mehrere Methoden gleichermaßen geeignet. Letztlich entscheidet der Vergleich der jeweiligen Vor- und Nachteile, welche mechanische Kraftübertragungslösung für Ihr Design am besten geeignet ist.
