Konstruktionselemente des Maschinenbaus 2

Reibung und Verschleiß sind häufig unerwünscht. Während Reibung den Wirkungsgrad von Maschinenelementen, Maschinen und Anlagen verschlechtert und damit den Energiebedarf erhöht, mindert Verschleiß den Wert von Bauteilen und Baugruppen und kann zum Ausfall von Maschinen und Anlagen führen. Andererseits wird bei vielen technischen Anwendungen eine hohe Reibung angestrebt, Tabelle 10.1. Auch Verschleiß kann in Sonderfällen in begrenztem Umfang nützlich sein, so z.B. bei Einlaufvorgängen.

Lagerungen im Maschinenbau ermöglichen Relativbewegungen von Maschinenteilen und stellen somit im Sinne der Getriebelehre die konkrete Ausformung von Gelenken dar, Abb. 11.1.:

Linearbewegungen sind immer oszillierend, während Drehbewegungen sowohl in einer Richtung umlaufend als auch oszillierend ablaufen können. Lager übernehmen Trag- und Führungsaufgaben:

Dichtungen werden benötigt, um den Stoffübergang zwischen zwei Arbeitsräumen mit gemeinsamer Grenzfläche zu verhindern oder zu begrenzen, sie „sperren“ die Räume gegeneinander ab. Häufig ist ein hermetisches, vollständiges Sperren nicht möglich und auch nicht erforderlich. Es geht vielmehr darum die Stoffmengen auf ein zulässiges Maß zu begrenzen. Stoffe, deren Austritt kontrolliert werden muss, sind z.B. Chemikalien, Treibstoffe, Abgase, Kühl- und Heizmedien sowie Schmierstoffe. Stoffe, deren Zutritt möglichst zu verhindern ist, sind feste oder flüssige Verunreinigungen wie z.B. Wasser und Stäube. Des Weiteren ist zu unterscheiden, ob die Stoffe zwischen relativ zueinander ruhenden Maschinen- oder Anlagenteilen oder zwischen relativ zueinander bewegten Elementen durchtreten können. Im ersten Fall spricht man von statischen, im zweiten von dynamischen Abdichtungen.

Technische Antriebe werden in Maschinen, Anlagen und Fahrzeugen als Teilsysteme eingesetzt, um die Energie in jeweils geeigneter Form dem „Arbeitsprozess“ zur Verfügung zu stellen und tragen somit dazu bei die gewünschte Gesamtfunktion zu erfüllen. Sie basieren dabei auf der Umformung, Übertragung und Speicherung von Energie. Technische Antriebe werden heutzutage mit wachsender Bedeutung als „Systeme“ betrachtet und als solche entwickelt, wodurch der Begriff „Antriebssysteme“ geprägt ist. Erst die Betrachtung als Antriebssystem ermöglicht die Beurteilung und Berechung der integrierten Komponenten unter Berücksichtigung der statischen und dynamischen Eigenschaften des Gesamtsystems, z.B. eines Kraftfahrzeugs, und der auftretenden Rückkopplungen auf Teilsysteme, z.B. Getriebe, Kupplungen oder Gelenke. Antriebssysteme werden durch ein Zusammenwirken von Mechanik, Sensorik, Aktorik und Informationsverarbeitung realisiert. Unter Mechanik sind in diesem Zusammenhang alle Komponenten zu verstehen, die direkt im eigentlichen Leistungsfluss des Gesamtsystems wirken. Sensoren und Aktoren bestehen im Wesentlichen ebenfalls aus mechanischen Komponenten, bilden damit aber die Schnittstelle zwischen der Mechanik und der Informationsverarbeitung. Mittels der Sensoren lassen sich einzelne Betriebsgrößen als Istwerte erfassen und zur Informationsverarbeitung übermitteln. Die Informationsverarbeitung ermöglicht u.a. den Vergleich vom Istwert mit einem von außen vorgegebenen Sollwert. In Abhängigkeit der Regelungs- oder Steuerungsstrategie können somit die Aktoren mit Stellgrößen angesteuert und dadurch der Leistungsfluss der Mechanik verändert werden.

Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die auf dem Markt etablierten Bauformen von Kupplungen und Bremsen und deren Einsatz als Konstruktionselement im Ingenieuralltag. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf der Bedeutung und Funktionalität in Abhängigkeit der realisierten Eigenschaften sowie den wesentlichen Einflüssen und Wechselwirkungen einer Kupplung oder Bremse im Gesamtsystem, die bei der erforderlichen Auslegung berücksichtigt werden müssen.

Zahnradgetriebe besitzen infolge ihrer verzahnten (formschlüssigen) Radkörper eine von der Belastung unabhängige Übersetzung, d.h. das Verhältnis der Antriebs- zur Abtriebsdrehzahl ist nicht vom übertragenen Drehmoment abhängig. Sie gehören in ihrer üblichen Ausführung zu den gleichmäßig übersetzenden Getrieben. Eine Ausnahme bilden die elliptischen oder exzentrisch gelagerten Zahnräder, die u.a. schwingende Bewegungszustände erzeugen oder beim Anlauf durch eine günstigere momentane Übersetzung Vorteile bringen sollen.

Zugmittelgetriebe (auch Hülltriebe genannt) werden hauptsächlich zur Wandlung von Drehmomenten und Drehzahlen, aber auch zur Änderung von Drehrichtungen eingesetzt. Sie bestehen aus zwei oder mehreren Scheiben bzw. Rädern, die sich nicht berühren, aber von einem Zugmittel (Riemen oder Kette) umschlungen werden, Abb. 16.1.a). Die Zugmittelstränge zwischen den Rädern werden als Trume bezeichnet, und zwar das ziehende Trum als Lasttrum und das gezogene Trum als Leertrum. Das Lasttrum wird um die Nutzkraft stärker beansprucht als das Leertrum. Da Riemen und Ketten (in Grenzen) beliebig lang sein können, lassen sich mit Zugmittelgetrieben beliebige Wellenabstände überbrücken. Die Kraftübertragung vom Antriebsrad auf das Zugmittel und vom Zugmittel auf das Abtriebsrad kann kraftschlüssig (durch Reibung zwischen Rad und Riemen, Abb. 16.2.a) oder formschlüssig (durch Ineinandergreifen von Zugmittel und Rad, Abb. 16.2.b) erfolgen. Zum Auflegen des Zugmittels auf die Räder muss sich ein Rad um den Verstellweg s _v zum anderen Rad hin verschieben lassen. Durch Verschieben eines Rades um den Spannweg s _Sp vom anderen Rad weg wird die notwendige Vorspannung im Zugmittel erzeugt, Abb. 16.1.a). Wird eine Spannrolle eingesetzt, ist das Auflegen und Spannen des Zugmittels bei nicht verstellbarem Wellenabstand möglich, Abb. 16.1.b).

Sensoren und Aktoren bilden die Schnittstelle zwischen der Informationsverarbeitung und den Energie- und Stoffflüssen in technischen Systemen. Abb. 18.1. zeigt den typischen Aufbau mechatronischer Systeme, bei dem die Sensoren und Aktoren als „black-box“ dargestellt sind. In einer stark vereinfachten Analogie zum menschlichen Körper kann man die mechanische Grundstruktur des Systems mit dem Skelett, die Sensoren mit den Sinnesorganen, die Aktoren mit der Muskulatur und die Informationsverarbeitung mit dem zentralen Nervensystem, einschließlich dem Gehirn, vergleichen.