Grundbegriffe der Mechanik und grundlegende Maschinenelemente

Teil 1

Seminar „Technische Grundbildung“Did. d. Arbeitslehre

Dr. Peter Pfriem

1. Die Bewegung

• Mögliche Bewegungsrichtungen, Maße, Einheiten- A) Axial: (= längs einer Bewegungsachse);

Maß: alle LängenmaßeKraftübertragung durch Schub oder Zug (auch Hub) (Schub-, Hub- oder Zugbewegung)Physikal. Arbeit wird als Kraft (in N) längs einer Wegstrecke (m) in Nm angegeben.Physikal. Leistung: Kraft (N) längs des Arbeitswegs (m) in einer Zeiteinheit (z.B. Nm/s)

1. Die Bewegung

• Mögliche Bewegungsrichtungen, Maße, Einheiten…- B) Radial: „Der Radius einer Achse dreht sich“ =

DrehbewegungMaß: Drehwinkel, bezeichnet mit (phi)Kraftübertragung: DrehbewegungPhysikal. Arbeit: Drehbewegung wird mit einem bestimmten Drehmoment (= Kraft, die längs des Umfangs der Drehbewegung wirkt) ausgeübt. Dabei spielt die Länge des Kraftarms (= Radius der Drehung) eine wichtige Rolle.

1. Die Bewegung• Mögliche Bewegungsrichtungen, Maße, Einheiten…- B) Radial: „Der Radius einer Achse dreht sich“ =

DrehbewegungDas Drehmoment = Produkt aus Länge des Kraftarms (dreht sich um den Drehpunkt) und der Kraft, die auf der Kreisbahn wirkt („Drehkraft“) Einheit: Nm; Beispiel: Motor; 350 Nm Drehmoment entsprechen einer Kraft von 350 N, die an einem drehbaren Hebelarm von 1m Länge wirkt. Physikal. Leistung: Drehmoment bei bestimmter Umdrehungszahl pro Zeiteinheit, z.B. 280 Nm bei 2500 U/min.

1. Die Bewegung• b) Bewegungsübertragung- Axial: Durch Gestänge unterschiedlicher

Querschnittsformen / Profile, welches Schub, Hub (= vertikaler Schub/Zug) oder Zug überträgt.

- Radial: Durch eine Kurbel, die über eine Kupplung auf eine Welle wirkt. Welle = drehbare Achse, welche Kraft überträgt; unterscheide:Kurbelwelle („gekröpft“), Kardanwelle (erlaubt Kraftübertragung bei abknickender Drehachsenrichtung) etc.

2. Die Reibung

• a) Definition:Reibung ist generell der energiezehrende Widerstand, den ein umgebendes Medium einer Bewegung entgegensetzt (vgl. Kuchling 1999, 98)Neben dem Luftwiderstand („Luftreibung“) und dem Wiederstand, den Flüssigkeiten einer Bewegung entgegensetzen („Wasserwiderstand“ bei Schiffen, beim Schwimmen…) ist für die technische Grundbildung vor allem die Reibung an der Kontaktfläche zweier sich berührender Körper interessant, welche die Relativbewegung zwischen den Körpern hemmt (vgl. ebd.)

2. Die Reibung• b) Die Reibungskraft (betrifft sich berührende feste

Körper, die sich relativ zueinander bewegen):- Wirkungsrichtung: parallel zur Kontaktfläche und

der Bewegung, bzw. der sie verursachenden Kraft entgegen gerichtet.

- Einflussgrößen: Kraft, mit der ein Körper auf die Reibungsfläche gepresst wird; Beschaffenheit der Oberflächen (rau, glatt, durch Schmiermittel / Flüssigkeit getrennt…) Diese geht als Reibungszahl in die Rechnung ein. Diese wird experimentell bestimmt, in dem man einen Probekörper auf eine Ebene legt und diese so lange neigt, bis dieser zu gleiten beginnt.

2. Die Reibung• c) Die Reibungsarten- Gleitreibung: wirkt bei einer Bewegung eines

Körpers relativ zu einem anderen- Haftreibung: wirkt bei einem ruhenden Körper, ihr

Betrag entspricht der entgegen gerichteten äußeren Zug- oder auch Drehkraft. Sie ist stets größer als die Gleitreibung.

- Rollreibung: wirkt, wenn ein Körper auf einer Unterlage rollt oder wenn Rollen/Kugeln zwischen sich relativ zu einander bewegenden Körpern gesetzt werden. Sie ist viel kleiner als die Gleitreibung.

2. Die Reibung

• d) Bedeutung für die technische Grundbildung- Reibung verzehrt Energie: bei der Umwandlung von anderen

Energiearten in die gewünschte Bewegungsenergie entsteht Wärme als Verlust. Dadurch wird der Wirkungsgrad verringert

- Reibung kann erwünscht sein, wenn eine relative Bewegung zweier Körper zu einander vermieden werden soll (Kontaktflächen aus Materialien mit „hoher Reibungszahl“, z.B. Kunststoffpads als Ablage auf Autoarmaturenbrettern oder Kupplungen und Bremsen, Reifen…)

- Reibung ist unerwünscht, wenn sich Teile von Maschinen und Vorrichtungen bewegen sollen. Reibungsarme Lagerungen sind beispielsweise Kugel- oder Wälzlager oder Gleitlager mit Schmierung.

3. Kraftübertragung / Kupplungen

• a) Kraftschlüssige Kupplungen- Beispiel: Autokupplung

Sie funktioniert über die Reibung des Kupplungsbelags. Die kraftschlüssige Kupplung wird durch Federn geschlossen (die Kupplungsbeläge werden aufeinander gepresst) zur Übertragung der Kraft beispielsweise vom Motor auf das Getriebe.

- Vorteil: Kraftschlüssige Kupplungen können während einer Bewegung der Kraftübertragungselemente geöffnet und geschlossen werden, dabei wird die Reibung ab- und aufgebaut von einer völligen Trennung des Kraftflusses bis zu einer 100%igen Kraftübertragung

2. Kraftübertragung / Kupplungen

• b) Formschlüssige Kupplungen- Beispiel: Schraubendreher

Sie funktionieren nach einer Art „Schlüssel-Schloss-Prinzip“:Die Formen des Kraft abgebenden und des Kraft aufnehmenden Teils passen möglichst spielfrei zusammen. Die Kupplung überträgt über die Passung der Form die Kraft zu 100%. Nachteil: Es gibt keinen gleitenden Übergang zwischen Trennung und Kupplung, entweder vollständige Trennung oder vollständige Verbindung. Kraftquelle und Kraftaufnahme müssen beim Einkuppeln stillstehen oder vorher in ihrer Drehgeschwindigkeit synchronisiert werden!