Kurbelschleifenmechanismus: Funktionsprinzip, Konstruktion, CNC-Bearbeitung und Anwendungen

Fast alle Maschinen um uns herum werden von einer Energiequelle betrieben. Die von dieser Energiequelle erzeugte Bewegungsart ist jedoch möglicherweise nicht direkt nutzbar. Ein Gleichstrommotor beispielsweise erzeugt eine Drehbewegung. Ein Kompressor benötigt hingegen eine lineare Hin- und Herbewegung. Daher ist ein Mechanismus erforderlich, der die Drehbewegung in eine lineare Bewegung und umgekehrt umwandelt. Der Kurbelschleifenmechanismus ist genau dieser Mechanismus!  

Was ist ein Kurbelschleifenmechanismus?

Ein Kurbelschleifenmechanismus findet in vielen Maschinen Anwendung. Er wandelt eine lineare Hin- und Herbewegung in eine Drehbewegung um und umgekehrt. Er besteht aus wenigen Bauteilen wie Kurbel, Pleuelstange und Schieber. Die Bewegung wird über die Pleuelstange von der Kurbel auf den Schieber oder umgekehrt übertragen. Typische Beispiele für Kurbelschleifenmechanismen sind Verbrennungsmotoren, Kolbenpumpen und Luftkompressoren.

Begriffe wie Kurbelschleifenmechanismus, Kurbelschleifenkette, Scotch-Yoke-Mechanismus und Kurbelschleifenmechanismus werden oft verwechselt. Es bestehen jedoch feine Unterschiede. Die folgenden Tabellen vergleichen diese Begriffe.

Schieberkurbelgestänge vs. Schieberkurbelkette

Schottischer Jochmechanismus vs. Schieberkurbelmechanismus

Aus welchen Teilen besteht ein Kurbelschleifenmechanismus?

Die Hauptbestandteile eines Kurbelschleifenmechanismus sind Kurbel, Pleuelstange, Schieber und Gehäuse. Weitere Hilfskomponenten sind Lager, Buchsen, Bolzen, Dichtungen und Führungen. Die präzise Montage dieser Komponenten setzt den Kurbelschleifenmechanismus in Gang.

Grundlegende Bestandteile eines Kurbelschleifenmechanismus

Kurbel

Die Kurbel ist ein rotierendes Bauteil im Kurbelschleifenmechanismus. Ihr Kurbelzapfen ist nicht mittig auf der Kurbelwelle angeordnet. Durch ihre Rotation wird eine Winkelbewegung in der daran befestigten Pleuelstange erzeugt und umgekehrt. Diese Bewegung bildet die Grundlage für die Umwandlung der Drehbewegung in eine lineare Hin- und Herbewegung.

Verbindungsstange

Die Pleuelstange verbindet die Kurbel mit dem Schieber in einem Kurbelschleifenmechanismus. Sie überträgt die Bewegung von der Kurbel auf den Schieber. Umgekehrt gilt dies ebenfalls. Somit dient diese Bewegungsübertragung auch der Umwandlung von Dreh- in Linearbewegung und umgekehrt.

Slider

Der Schieber bewegt sich im Rahmen hin und her. Entweder bewegt er sich und überträgt die Bewegung auf die Pleuelstange, oder er wird durch die über die Pleuelstange übertragene Bewegung bewegt.

Rahmen

Es handelt sich um die starre Struktur, die die Komponenten eines Kurbelschleifenmechanismus trägt. Sie verfügt über feste Befestigungspunkte für die Drehpunkte und eine lineare Bahn für den Schieber.

Andere Hilfsteile

Stifte und Gelenke

Stifte und Gelenke verbinden Kurbel, Pleuelstange und Schieber. Sie bilden Drehpunkte, um die sich die rotierenden Teile drehen. Die Bewegung wird durch diese Gelenke von einem Teil auf das andere übertragen.

Lager

Lager reduzieren die Reibung zwischen relativ zueinander rotierenden Oberflächen. Normalerweise werden sie zwischen Bolzen und deren Gehäusen montiert. An manchen Stellen treten nur Radialkräfte auf, wo Rillenkugellager zum Einsatz kommen. An anderen Stellen, wie beispielsweise Pleuel- oder Gleitgelenken, wirken hingegen auch Axialkräfte. Hier kommen Wälzlager oder Nadellager zum Einsatz.

Führungskomponenten

Führungselemente wie Führungsschienen, Führungsbahnen, Zylinder, Buchsen oder bearbeitete Oberflächen helfen dabei, bewegliche Teile während der Bewegung zu führen.

Dichtungskomponenten

Dichtungen halten die Teile umschlossen. Einerseits schützen sie vor Staub und Chemikalien. Andererseits verhindern sie das Austreten von Schmierstoffen aus geschlossenen Bereichen wie den Zylindern oder Kolben eines Automotors.

Wie funktioniert ein Kurbelschleifenmechanismus?

Wie bereits beschrieben, besteht die Hauptfunktion eines Kurbelschleifenmechanismus darin, Drehbewegungen in lineare Hin- und Herbewegungen umzuwandeln und umgekehrt. Im Folgenden wird die Funktionsweise dieses Mechanismus Schritt für Schritt erklärt.

Die Kurbel beginnt sich zu drehen

Eine externe Energiequelle, beispielsweise ein Motor, treibt die Kurbelwelle an. Diese beginnt sich um ihren Mittelpunkt zu drehen. Diese Drehung setzt die Bewegung am Pleuelgelenk in Gang. Zu den Schlüsselelementen gehören die Kurbelwellengeometrie, die Position des Kurbelzapfens und die Lagerbohrung, welche die Effizienz der Kurbelwellenfunktion bestimmen.

Die Pleuelstange überträgt die Bewegung

Der Kurbelzapfen ist gegenüber dem Drehpunkt der Kurbelwelle versetzt. Die Pleuelstange ist am Kurbelzapfen mit der Kurbelwelle verbunden. Bewegt sich der Kurbelzapfen, bewegt sich auch die Pleuelstange. Dadurch erfährt die Pleuelstange Winkelbewegungen. In diesem Schritt sind die Verbindungsbohrungen, die Zapfenbohrungen und die Passflächen von Bedeutung. Die Einhaltung der korrekten Toleranzen ist wichtig. Andernfalls kann zu großes Gelenkspiel zu ungleichmäßiger Belastung und vorzeitigem Verschleiß führen.

Der Schieber bewegt sich entlang der Führung

Während sich die Pleuelstange bewegt, überträgt sie die Bewegung auf das Gleitstückgelenk. Da das Gleitstück mit der Pleuelstange verbunden ist, muss es sich mit ihr mitbewegen. Allerdings ist das Gleitstück durch die Führung eingeschränkt und kann sich daher nur auf einer festgelegten linearen Bahn bewegen. Hierbei muss ein berechnetes Spiel zwischen den Kontaktflächen eingehalten werden, um unerwünschte seitliche und rotatorische Verschiebungen zu verhindern.

Der Schieber erreicht seine Mittelstellung

Sobald die Kurbel eine vollständige Umdrehung erreicht hat, befindet sich der Schieber an seinem äußersten Punkt im Rahmen. Er hält kurz an, bevor sich seine Drehrichtung umkehrt. Diese Bewegung entspricht einem Zug-Druck-Zyklus. Die beteiligten Bauteile sind zyklischen Belastungen ausgesetzt. Daher müssen kritische Teile ermüdungsbeständig sein. Auch die Ausrichtung der Gelenke ist wichtig.

Die Kurbel dreht sich weiter und der Schieber kehrt zurück.

Die Kurbel dreht sich weiter. Aufgrund des Versatzes des Kurbelzapfens gegenüber der Kurbelmitte ändert der Schieber jedoch seine Bewegungsrichtung. Dieser Versatz bestimmt den Hub. Normalerweise beträgt der Hub das Doppelte dieses Versatzes.

Welche Haupttypen von Kurbelschleifenmechanismen gibt es?

Grundsätzlich lassen sich Kurbelgetriebe in zwei Typen unterteilen: Inline-Kurbelgetriebe und Offset-Kurbelgetriebe. Der Hauptunterschied liegt in der Position der Gleitbahn. Dadurch ergeben sich Unterschiede im Bewegungsablauf. Je nach Anwendungsfall wird der jeweils geeignete Kurbelgetriebetyp eingesetzt.

Inline-Schieberkurbelmechanismus

Wie der Name schon sagt, verläuft die Mittellinie des Schiebers bei einem Kurbelschleifenmechanismus durch die Kurbelwellenachse. Der Schieber bewegt sich also entlang derselben Mittellinie hin und her. Diese symmetrische Anordnung erzeugt eine vorhersagbare Hubbewegung. Vorwärts- und Rückwärtshub sind in Geschwindigkeit und Bewegung identisch.

Versetzter Schieberkurbelmechanismus

Bei einem Kurbelschleifenmechanismus mit versetzter Gleitführung ist die Mittellinie des Gleitstücks gegenüber der Kurbelwellenachse versetzt. Durch diesen Versatz ergibt sich ein Unterschied in der Bewegung zwischen Vorwärts- und Rückwärtshub. Dieser Unterschied kann zu unserem Vorteil genutzt werden. Beispielsweise kann in der Verpackungsindustrie der Vorwärtshub gleichmäßig sein, während beim Rückwärtshub ein schneller Rückzug erforderlich ist. Bei einem Kurbelschleifenmechanismus mit versetzter Gleitführung können die Seitenkräfte hoch sein. Daher sind eine sorgfältige Ausrichtung und präzise Passform unerlässlich.

Welche Faktoren der Bauteilqualität beeinflussen die Funktion der Kurbelschleife?

Die Sicherstellung der Qualität jedes einzelnen Bauteils im Kurbelschleifenmechanismus ist von entscheidender Bedeutung. Selbst geringfügige Fehler können die Funktion des Mechanismus erheblich beeinträchtigen. Manche Fehler können sogar zu dauerhaften Schäden führen. Daher muss die Qualität kritischer Bauteile unbedingt überprüft werden.

Passung von Stift und Bohrung

Das Spiel zwischen Bolzen und Bohrung bestimmt den korrekten Sitz. Ist das Spiel zu groß, kann dies zu Vibrationen, Lockerung oder Stoßbelastung führen. Ist es zu klein, wird die Bewegung des Bolzens eingeschränkt. Daher ist ein optimales Spiel für einen korrekten Sitz erforderlich.

Lochposition und Ausrichtung

Die genaue Position der Bohrungen ist für die korrekte Ausrichtung entscheidend. Ist die Bohrungsposition falsch, kann sich der Winkel der Pleuelstange verändern. Dies kann zu übermäßigen Seitenkräften und vorzeitigem Verschleiß führen.

Schieber- und Führungspassung

Die Passung von Gleitstück und Führung gewährleistet einen gleichmäßigen Hub. Bei fehlerhafter Passung entstehen unerwünschte seitliche Spannungen. Diese beeinträchtigen nicht nur den gleichmäßigen Hub, sondern können auch die beweglichen Teile beschädigen.

Wellen- und Lagerausrichtung

Eine fehlerhafte Ausrichtung von Welle und Lager beeinträchtigt die Lastverteilung. Ungleichmäßige Belastungen können das Lager beschädigen. In manchen Fällen kann sogar die Rundlaufgenauigkeit des Lagersitzes gestört werden. Vor allem aber kann die Funktionsfähigkeit des Kurbelschleifenmechanismus durch diese Fehlausrichtung beeinträchtigt werden.

Oberflächen- und Kantenqualität

Grate an bearbeiteten Kanten verändern offenbar die Abmessungen. So kann beispielsweise eine Bohrung einen kleineren Durchmesser aufweisen als tatsächlich vorhanden. Dies verändert das Spiel zwischen den Oberflächen. Auch andere Oberflächenunebenheiten beeinträchtigen den Kurbelmechanismus.

Wie gewährleistet die CNC-Bearbeitung einen zuverlässigen Betrieb der Kurbelwelle?

CNC-gefertigte Teile sind für ihre hervorragende Präzision und Genauigkeit bekannt. Da nur minimaler menschlicher Eingriff erforderlich ist, wird das Risiko menschlicher Fehler minimiert. Jedes Teil wird mit demselben CAD-Modell und demselben Verfahren hergestellt. Daher ist eine gleichbleibende Qualität zu erwarten.

Passt Steuerbolzen und Bohrung

Die CNC-Bearbeitung ermöglicht die Herstellung von Stiften und Bohrungen mit höchster Präzision. Die erzielte Maßgenauigkeit ist anderen Fertigungsverfahren überlegen. Merkmale wie Durchmesser, Rundheit und Toleranz sind entscheidend für die Einhaltung der Konstruktionsvorgaben. Korrektes Spiel und Konzentrizität gewährleisten einen reibungslosen Lauf und verhindern übermäßiges Spiel.

Bohrungen und Wellen ausrichten

Durch CNC-Bearbeitung hergestellte Bohrungen und Wellen erreichen Maßgenauigkeit, präzise Positionierung, Rundlaufgenauigkeit und Rechtwinkligkeit. Durch die Reduzierung von Positionsfehlern ist ein effizienter Betrieb des Kurbelschleifenmechanismus zu erwarten.

Geometrie von Maschinenschlitten und Führungen

Schlitten und Führung müssen geradlinig und parallel verlaufen. Das Spiel zwischen Schlitten und Führung muss optimal und konstant sein. CNC-Fräsen ermöglicht die Herstellung von Schlitten und Führungen mit höchster Präzision. Dadurch lassen sich unerwünschte seitliche Bewegungen vermeiden.

Oberflächen und Kanten bearbeiten

Eine kontrollierte Oberflächenrauheit und saubere Kanten sind entscheidend für die Optimierung des Reibungsverhaltens beweglicher Teile. Zu hohe Reibung kann Verschleiß verursachen, zu geringe Reibung hingegen Schlupf. Daher muss die Kontaktfläche entsprechend vorbereitet werden. Hierfür eignen sich Entgraten, Schleifen, Honen oder Polieren.

Maschinenschmierungsmerkmale korrekt

Merkmale wie Schmierkanäle, Bohrungen, Nuten und Vertiefungen dienen dem Schmierstofffluss. Diese müssen jedoch präzise konstruiert und gefertigt werden. Die CNC-Bearbeitung ermöglicht die Herstellung dieser Merkmale mit höchster Maßgenauigkeit. So bleibt der Schmierstofffluss während des Betriebs konstant.

Wo werden Kurbelschleifenmechanismen eingesetzt?

Kurbelschleifenmechanismen finden in vielfältigen Anwendungen Verwendung. Von der Automobilindustrie über Industriemaschinen bis hin zum Bauwesen und der Metallverarbeitung – dieser Mechanismus ist weit verbreitet. Werfen wir einen kurzen Blick auf die Anwendungsgebiete.

Automobil- und Motorenfertigung

Das bekannteste Beispiel für einen Kurbelschleifenmechanismus in Automobilmotoren ist der Verbrennungsmotor. Die Hin- und Herbewegung der Kolben wird durch die Kurbel in eine Drehbewegung umgewandelt. Diese treibt den Generator an, der elektrischen Strom erzeugt.

Industrielle Automatisierung und Verpackung

Zahlreiche industrielle Automatisierungssysteme nutzen den Kurbelschleifenmechanismus. Nehmen wir beispielsweise die Produktverpackung. Hin- und hergehende Arme können das Verpackungsmaterial abschneiden, die Beutel zuführen und die Bündel verpressen.

Landwirtschafts- und Baumaschinen

Wenn Sie schon einmal das Stampfen eines Fundaments auf einer Baustelle beobachtet haben, dann wissen Sie, dass dabei ein Stampfgerät zum Einsatz kommt, das sich hin und her bewegt. Das Gerät fährt vorwärts, um in den Boden einzudringen. Dann fährt es zurück und rammt erneut in den Boden. Dieser Zyklus wiederholt sich ständig.

Metallumformungs- und Pressindustrie

Für die Metallumformung ist eine lineare Hin- und Herbewegung zum Formen, Stanzen, Prägen und Ausklinken von Blechen erforderlich. Ein Motor treibt den Schlitten für diesen Vorgang vor und zurück.

Wie unterstützt Tuofa kundenspezifische Schieberkurbelprojekte?

Wir bei Tuofa bieten Ihnen vielfältige Anpassungsmöglichkeiten für Kurbelwellenteile. Auch Teile mit geringer Mindestbestellmenge können gefertigt werden. Sie benötigen lediglich eine CAD-Datei. Unser Ingenieurteam unterstützt Sie mit Echtzeit-Feedback im Rahmen des DFM-Verfahrens.

Kundenspezifische Kurbelteile mit einem Schieber

Einzelteile können per CNC-Bearbeitung gefertigt werden. Benötigen wir beispielsweise nur die Gleitstücke als Ersatz, können wir diese liefern. Dasselbe gilt auch für alle anderen Teile. Die Teile können nach Kundenspezifikation gefertigt werden.

Bei einem Kurbelschleifenmechanismus müssen einzelne Bauteile aus verschiedenen Gründen ausgetauscht werden, zum Beispiel:

• Beschädigung eines vorhandenen Teils
• Designverbesserungen
• Funktionsprüfung
• der Bedarf an einer kleinen Menge Ersatzteilen

Für kundenspezifische Ersatzteile fertigt Tuofa Komponenten nach Kundenzeichnungen und achtet dabei genau auf kritische Maße und Toleranzen. Aus Fertigungs- und Kostensicht können wir die Zeichnungen prüfen und Designanpassungen vorschlagen, die die Bearbeitbarkeit verbessern und die Produktionskosten senken, ohne die Funktion des Bauteils zu beeinträchtigen.

Auch Prototyping-Dienstleistungen werden angeboten. Kunden können mit einer kleinen Anzahl von Musterteilen beginnen, um Passform, Montage und Gesamtfunktionalität zu überprüfen, bevor sie mit der Kleinserienproduktion fortfahren.

Kundenspezifische Komplettsätze für Schiebekurbelkomponenten

Alle Komponenten eines Kurbelschleifenmechanismus können als Bausätze gefertigt werden. Dieser Ansatz bietet Vorteile: Die Passgenauigkeit der Komponenten kann geprüft werden. Bei Bedarf lassen sich die Abmessungen kundenspezifisch anpassen.

Wenn mehrere kundenspezifische Komponenten eines Kurbelschleifenmechanismus als Baugruppe zusammenarbeiten müssen, trägt die Fertigung durch denselben Zulieferer zu einer besseren Kontrolle über kritische Schnittstellen und Passungsbedingungen bei. Dies umfasst:

• Passung zwischen Stift und Bohrung
• Pleuelbohrungsausrichtung
• Abstand zwischen Gleiter und Führung
• Passung zwischen Welle und Lager
• Ausrichtung der Lagerbohrung
• Anschlussmaße
• Zuschläge für Oberflächenbehandlungen

Kunden liefern in der Regel 3D-Modelle oder Zeichnungen der einzelnen Teile sowie Montagezeichnungen oder andere Dokumente, die die erforderlichen Beziehungen zwischen den zusammenpassenden Komponenten definieren.

Dank seiner Erfahrung in der Präzisionsbearbeitung und -montage kann Tuofa sowohl die Teilefertigung als auch die Endmontage innerhalb desselben Projekts übernehmen. Dadurch lassen sich potenzielle Passungs-, Toleranz- oder Montageprobleme zentral beheben, wodurch die Koordination mit einem separaten Montagelieferanten oder die interne Montage entfällt. Dies vereinfacht die Kommunikation, verkürzt den gesamten Projektablauf und reduziert den Zeit- und Arbeitsaufwand für die Fertigung der einzelnen Bauteile zu einer kompletten Baugruppe.

Prüfung der Passgenauigkeit und bewegungskritischer Merkmale

Tuofa verfügt über eine gut ausgebaute Abteilung für Qualitätssicherung und -kontrolle. Unsere Labore sind mit modernsten Werkzeugen und Geräten ausgestattet, um Qualitätsmerkmale wie Abmessungen, Oberflächenrauheit und Härte zu prüfen. Wir bewerten nicht nur die Qualität jeder einzelnen Komponente, sondern auch die Passung und das Zusammenwirken der Bauteile bei der Montage. Dies trägt dazu bei, dass die fertige Baugruppe einwandfrei funktioniert und einsatzbereit ist.

Praktische Konstruktionstipps für Kurbelschleifenmechanismen

Ein CAD-Entwurf mag auf den ersten Blick umsetzbar erscheinen. Die Herstellbarkeit muss jedoch unbedingt berücksichtigt werden. Merkmale wie ein kleiner Innenradius oder tiefe Taschen sind recht schwierig zu fertigen. Zudem sind sie unter Umständen völlig unnötig. Daher sollte der Fertigungsbetrieb vorab bezüglich des Entwurfs konsultiert werden.

Gemeinsame Bezugspunkte für Passungsmerkmale verwenden

Es gewährleistet die Ausrichtung und reduziert zudem Positionsfehler. Referenzpunkte, z. B. die Kurbelwellenmittellinie und die Gleitführungsfläche, können bei der CNC-Bearbeitung verwendet werden.

Vermeiden Sie schwierige, tiefe und enge Stellen.

Tiefe Konturen erfordern längere Werkzeuge. Die Gefahr der Werkzeugdurchbiegung und der daraus resultierenden Maßabweichungen ist hoch. Ebenso erfordern schmale Konturen eine sorgfältige Positionierung kleiner Werkzeuge. Sind tiefe und schmale Konturen nicht notwendig, sollten sie vermieden werden.

Praktische Inneneckradien verwenden

Bei der Konstruktion sollte die Herstellbarkeit der Teile berücksichtigt werden. Kleine Innenradien an Ecken sind oft sehr schwierig zu fertigen. Sie verlängern nicht nur die Lieferzeit, sondern führen auch zu einer höheren Ausschussquote. All dies kann die Teilekosten erheblich erhöhen.

Fazit

Der Kurbelschleifenmechanismus findet in vielen gängigen Maschinen Anwendung. Die Umwandlung von Drehbewegung in lineare Hin- und Herbewegung und umgekehrt ist in Motoren, Pumpen, Kompressoren, Verpackungsmaschinen und Pressen von großer Bedeutung. Um eine hohe Leistungsfähigkeit zu erzielen, müssen die im Kurbelschleifenmechanismus verwendeten Teile äußerst präzise gefertigt sein. Die CNC-Bearbeitung ist ein gängiges Fertigungsverfahren für die Herstellung dieser Teile.

FAQ

Wie konstruiert man einen Kurbelschleifenmechanismus?

Zunächst muss das Ziel definiert werden. Anschließend wird die Position der Energiequelle festgelegt. Danach werden Ausgabeparameter wie Hublänge, Hubgeschwindigkeit und Kraft durch die Anpassung der Geometrie und Ausrichtung der Bauteile gesteuert.

Warum blockiert ein Kurbelmechanismus?

Übermäßige Reibung, Fehlausrichtung, ungleichmäßige Belastungen und geringes Spiel sind die Hauptursachen.

Warum macht ein Kurbelmechanismus Geräusche?

Übermäßige Geräusche können durch unerwünschtes Aneinanderreiben von Teilen entstehen.

Welche Dateien werden zur Herstellung kundenspezifischer Schieberkurbelteile benötigt?

Für die Fertigung werden CAD- und CAM-Dateien benötigt.