Wellen
Wellen dienen der Übertragung von Drehmomenten; sie werden auf Verdrehung (Torsion) beziehungsweise auf Verdrehung und Biegung beansprucht.
Kupplungen
Eine Kupplung ist ein Maschinenelement zur starren, elastischen, beweglichen oder lösbaren Verbindung von zwei Wellen. Eine nicht starre Kupplung kann neben einer formschlüssigen auch eine kraftschlüssige Verbindung sein. Durch die Verbindung wird es möglich, zwischen beiden Wellen Rotation und damit Drehmoment und letztlich mechanische Arbeit zu übertragen. Auswahlkriterien für eine Kupplung können sein:
- zu übertragendes Drehmoment (maximales Drehmoment? Drehmomtenverlauf konstant, schwellend, wechselnd?)
- Ausgleich von Wellenversatz (axial, radial, winklig)
- Ausgleich von Wärmedehnungen
- Starre oder elastische Wellen- oder Bauteilverbindungen
- Bedingungen für Montage, Inspektion und Wartung
- winkelgetreue Übertragung (Schlupf durch Torsion)
- bei Schaltkupplungen Schaltverhalten (im Betrieb unter Last oder nur im Stillstand) und Schalthäufigkeit
- Drehmomentbegrenzung (Unterbrechung bei Überlast)
- Schwingungs-und Drehstoßdämpfung
Prinzipieller Aufbau einer Kupplung
Eine mechanisch betätigte Kupplung besteht im Wesentlichen aus den folgenden Einzelteilen:
1 = Kupplungshälften / Kupplungsscheiben
2 = Vielkeilwelle
3 = Kupplungsbelag
4 = Feder, bewirkt im eingekuppelten Zustand die reibschlüssige Verbindung beider Kupplungshälften
5 = Kupplungshebel, trennt beide Kupplungshälften und bewirkt die Unterbrechung des Kraftflusses
6 = Drehrichtung, hier in beiden Richtungen möglich
Abb. 284: Aufbau einer Kupplung (Quelle: Wikipedia)
Beispiel: Elektromagnetkupplung
Abb. 285: Elektromagnetkupplung (Quelle: Wikimedia)
Beispiel: Lamellenkupplung
Abb. 286: Lamellenkupplung (Quelle: Wikimedia)
Getriebe, Getriebearten
Getriebe dienen zur Übertragung und Umformung (Übersetzung) von Bewegungen, Energie und/oder Kräften (Drehzahlen, Drehrichtungen, Drehmomenten und Kräften). Diese Funktionen erfüllen die meisten Getriebe mit mechanischen Bauteilen. Sie können aber auch durch hydraulische, pneumatische oder elektromagnetische Wirkprinzipien erfüllt werden.
Die wichtigsten im Maschinenbau verwendeten Getriebearten sind:
1. Zugmittelgetriebe
Ein Zugmitteltrieb – auch Umschlingungsgetriebe genannt – ist ein Getriebe, bei dem ein Drehmoment zwischen zwei Wellen mithilfe eines beide Wellenenden umschlingenden Zugmittels übertragen wird. Beispiele: Ketten-, Zahnriemen- und Keilriementriebe
Vorteile: sehr große Wellenabstände und auch Umlenkungen möglich, sehr große Auswahl an genormten Elementen ermöglicht kostengünstige, schnelle sowie bei richtiger Auslegung und Wartung sehr langlebige Konstruktionen.
Nachteile: Zugmittel neigen zu Schwingungen, deshalb sind besonders bei hohen Drehzahlen Spannvorrichtungen nötig. Schaltgetriebe sind relativ kompliziert zu realisieren (zum Beispiel Kettenschaltung am Fahrrad).
Abb. 287: Zugmitteltrieb (Quelle: Wikipedia)
2. Zahnradgetriebe
Zwei oder mehr miteinander gepaarte Zahnräder bilden ein Zahnradgetriebe. Es wird vorwiegend zur Übertragung zwischen zwei Drehungen oder einer Drehung und einer linearen Bewegung (Paarung eines Zahnrades mit einer Zahnstange) gebraucht. Zahnradgetriebe bilden unter den Getrieben die größte Gruppe. Sie sind formschlüssig und somit schlupffrei.
Abb. 288: Schnitt durch ein dreistufiges Stirnradgetriebe (schrägverzahnt) (Quelle: Wikipedia)
Die Räder eines Zahnradgetriebes sind auf Wellen oder Achsen gelagert, deren Abstand so ausgelegt ist, dass die Zähne ineinandergreifen und somit die Drehbewegung des einen Zahnrades auf das andere übertragen wird. Dabei kehrt sich die Drehrichtung um. Falls das nicht erwünscht ist, wird ein drittes Zahnrad beliebiger Größe dazwischen angeordnet.
Sind die Räder unterschiedlich groß, so kann die Drehzahl erhöht oder verringert werden, wobei das Drehmoment vermindert oder erhöht wird. Auf diese Weise dienen Zahnräder der Übersetzung von Kräften und Geschwindigkeiten. Es sind viele Varianten von Zahnradgetrieben entstanden. Diese werden ständig weiterentwickelt.
Beispiele: Stirnrad-, Kegelrad-, Schneckenrad-, Planetenradgetriebe usw.
Vorteile: extrem hohe Drehzahl- und Drehmomentübertragung durch mehrstufigen Aufbau möglich. Schaltgetriebe. Sehr robust und wartungsarm oder wartungsfrei. Eine Wartung ist sehr aufwendig.
Nachteile: aufwendige mechanische Fertigung = hohe Kosten.
Abb. 289: schräg- u. geradverzahnte Stirnräder (Quelle: Eigene Darstellung)
Aufbau Planetenradgetriebe
Die innere Achse (grün) überträgt die Eingangsbewegung auf die beiden frei beweglichen Planetenräder (blau), diese treiben den äußeren Ring (rot) an. Die Achsen der Planetenräder (blassgelb) werden von ei- nem nicht eingezeichneten Träger (Steg) gehalten.
Abb. 290: Aufbau eines Planetenradgetriebes (Quelle: Wikipedia)
Abb. 291: Beispiel Kegelradgetriebe (Quelle: Wikimedia)
Abb. 292: Beispiel Schneckenradsatz (Quelle: Wikipedia)
Verschleißursachen und Verschleißminderung
Verschleiß bezeichnet den fortschreitenden Materialverlust auf der Oberfläche eines festen Körpers (Grundkörper). Verschleiß wird hervorgerufen durch mechanische Ursachen. Es geht dabei um den Masse- verlust (Oberflächenabtrag) einer Stoffoberfläche durch schleifende, rollende, schlagende, kratzende, chemische und thermische Beanspruchung – diese wird verursacht durch Kontakt- und Relativbewegung ei- nes festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird Verschleiß auch mit anderen Arten der Abnutzung gleichgesetzt. Diese meist unerwünschte Veränderung der Oberfläche tritt zum Beispiel an Lagern, Kupplungen, Getrieben, Düsen und Bremsen auf sowie als Werkzeugschneidenverschleiß. Verschleiß ist einer der Hauptgründe für Bauteilschädigung und den damit verbundenen Ausfall von Maschinen und Geräten. Die Verringerung von Verschleiß ist darum eine wesentliche Möglichkeit, die Lebensdauer von Maschinen und Geräten zu erhöhen und damit Kosten und Rohstoffe einzusparen. Andererseits wird versucht, den nicht zu vermeidenden Verschleiß auf einfach auszutauschende Bauteile einzugrenzen, die man unter dem Begriff Verschleißteil zusammenfasst. Verschleiß ist eine der häufigsten Ursachen für den Ausfall von Maschinen. Deshalb sollte alles dafür getan werden, damit er so gering wie möglich gehalten wird.