Der Gelenkkopf – Leonardo da Vinci und danach?

Der Gelenkkopf, ein Maschinenbauelement in korrosionsbeständiger und wartungsfreier Ausführung vor dem Hintergrund ökonomischer und humanitärer Anforderungen im Rahmen der technischen Entwicklungshilfe. Aufgabe, Optimierung und Auswahl von Gelenkköpfen am Beispiel des Einsatzes von Wasserpumpen in Südafrika.

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mbo Oßwald GmbH & Co KG Metallbearbeitung - Verbindungstechnik

SPN Schwaben Präzision Fritz Hopf GmbH

FAULHABER Antriebssysteme

DURBAL Metallwarenfabrik GmbH

Dr. Strecker Ingenieurbüro f. Antriebstechnik GmbH & Co. KG

Sieht sich ein technisch aufgeschlossener Betrachter die umfangreichen Zeichnungen von Leonardo da Vinci an, stößt er auf die in verschiedenen Entwürfen und Skizzen festgehaltenen Überlegungen von maschinenbaulichen Elementen bis hin zu kompletten Aggregaten. Eine Aufzeichnung aus dem Jahr 1485, ebenfalls im Codex Madrid I [Sammlung der Entwürfe Leonardo da Vincis] zeigt eine Lösung zum Problem der Umsetzung der Hin- und Herbewegung in eine Rotationsbewegung.“

Auch die der Antriebs- und Fördertechnik zugehörigen gelenkbasierten Verbindungen und Lagerungen zur Übertragung von Kräften oder Drehmomenten kommen nicht zu kurz bei der den Forschungsarbeiten des genialen Entwicklers.

Mit einer Zeitreise in unser Jahrhundert landen wir im `Dubbel´, dem Taschenbuch für den Maschinenbau. Unter der Überschrift ´Systeme starrer Körper´ ist zu erfahren und der Bogen zu da Vinci zu spannen, dass „ … sie {die Systeme} aus mehreren Körpern [bestehen], die durch Verbindungselemente, d. h., Gelenke {Gelenkköpfe} oder Führungen oder durch gelenkig angeschlossene Führungen miteinander verbunden sind.“

So ist aus dem frühen Entwurf eines äußerlich unkomplizierten Gelenkelements unter dem Einfluss des werkstoff- und fertigungstechnischen Fortschritt, heute ein Maschinenelement entstanden, dass sich in punkto Anforderungen, wie der Stabilität und Haltbarkeit, in zahlreichen Branchen und stets neuen spezifischen Einsatzfällen zu bewähren hat.

Die Vielfalt der technisch möglichen Anwendungen hat zu unterschiedlichen Konstruktionen in der Gelenkkopftechnik beigetragen (Norm: DIN 648 oder CETOP RP 103 P). Deshalb ist dem Konstrukteur eine Checkliste zu empfehlen, welche die technisch und ökonomisch sinnvolle Auswahl des Maschinenelements „Gelenkkopf“, erleichtert. Unternehmen wie DURBAL bieten dazu ausführliche Informationen an.

Zur technischen Vielfalt von Gelenkköpfen

Gelenkköpfe, so sie den Anforderungen als Hochleistungsgelenkköpfe entsprechen wollen, zeichnen sich durch qualitativen Merkmale wie der Stabilität und/oder der Eigenschaft als wartungsarmes oder wartungsfreies Lagerelement aus.

Hersteller oder Verwender von Gelenkköpfen unterscheiden grundsätzlich Ausführungen mit integrierten Wälzlagern, seien es Pendelkugellager oder Tonnenrollenlager, von der Ausführung mit schmierbaren oder wartungsfreien Gleitlagern.

Gelenkköpfe mit Pendelkugel- oder Wälzlagern gestatten hohe rotierende Bewegungen bei großen Schwenkwinkeln. Bei größeren auftretenden Kräften haben sich die in der Lagertechnik bewährten Tonnenrollenlager durchgesetzt. Für beide Ausführungen aber gilt, dass die werkseitig durchgeführte Erstschmierung bei größerer Inanspruchnahme eine weitere Gebrauchschmierung mit einem Fett auf der Basis eines verseiften Aluminiumkomplexes im Betrieb notwendig macht.

Die zur technischen Bestimmung des „passenden“ Gelenkkopfes erforderlichen Bezugsgrößen sollten folgende Sachverhalte klären: Betriebstemperaturen (Wälzlager von – 20°C bis 120°C; Gleitlager von – 30°C – 60°C); Belastungen ( Axiale-, radiale- oder oszillierende Bewegungen/ Belastungen), sowie Kipp- und Schwenkwinkel ?

Gustav Niemann nennt in seinem Band III zur Bestimmung von Maschinenelementen unter der Überschrift `Bemessung, Gestaltung und Schmierung` weitere zu klärende Fragen:

1, Anforderungen an das Maschinenbauteil

2. Überschlägige Ermittlung (Dimensionierung) der Baugröße

3. Verfügbare und notwendige Werkstoffe

4. Kräfte, Winkel, Stöße, Takte, Umdrehungen

5. Verbindung, Einbau und Befestigung

6. Notwendigkeit und ggf. Intervalle von Schmierung

Ein wichtiges Thema bei der Auswahl: Die Lebensdauer

Während in der Wälzlagerbauart eine Bestimmung der Lebensdauer auf der Basis der Lagerberechnung für rotierende oder oszillierende Bewegung durchgeführt werden kann, ist bei der Gleitlagerbauart auf die statische Belastung und zulässige Gleitgeschwindigkeit zu achten. So hat sich für die gleitgelagerten Ausführungen der Terminus einer Gebrauchsdauer durchgesetzt, deren Ermittlung wesentlich von den Betriebstemperaturen und Schwenkbewegungen bestimmt wird.

Hersteller von Gelenkköpfen, wie die Firma DURBAL, geben in ihren Unterlagen entsprechende Berechnungshinweise und Tabellendaten an, die, um im Einsatz auftretende Anforderungen ergänzt, zu einer genaueren und sicheren Bestimmung führen. Außerdem ist man den Forderungen nach Wartungsfreiheit entgegengekommen, in dem man hartverchromte oder aus korrosionsbeständigem Material gefertigte Gelenkkugeln verwendet, die in einem sphärischen Lagerbett aus Nylon, Teflon und Glasfaser bei geringer Vorspannung und Spielfreiheit eingepasst sind.

Praxis-Einsatz: Gelenkköpfe aus NIRO an Wasserpumpen

Die Wasserknappheit und die Versorgung mit Trinkwasser in heißen Ländern der Erde stellt immer noch ein Problem dar, zumal auch die elektrische Versorgung nicht immer gewährleistet ist. Exemplarisch mag das Beispiel einer in Deutschland gefertigten handbetriebenen Pumpeneinheit gelten, wie sie bereits mit hohem Wirkungsgrad zur Verfügung steht. Sie versorgt vor allem in Afrika die Menschen mit je 20 Liter Trinkwasser pro Tag.

Für die verwendeten Komponenten stellt das Klima wie auch die Pumpenlaufzeit eine extreme Belastung dar, woraus sich der Einsatz nur hochwertiger Maschinenteile ableitet. Im vorliegenden Fall resultieren aus acht Stunden ununterbrochener Benutzerzeit bei 40 Hüben/min. = 19.200 Hübe/Tag oder ca. 7 Mio. Hübe/Jahr.

Ausgehend von Handkraft und Hebelarm erfolgte die Auswahl eines Hochleistungs-Gelenkkopfs des Fabrikats DURBAL. Die Bohrung im Gelenkauge mit 20 mm ist identisch mit dem Gewinde zur Aufnahme des Pumpengestänges und verweist auf den Typ BEF 20. Unter den geschilderten ungünstigen klimatischen Bedingungen sollten die Tragzahlen bei dynamischer Belastung C mit 30 kN und statischer Belastung mit 82 kN eine großzügige Dimensionierung aufweisen um somit eine hohe Gebrauchsdauer bei grobem Betrieb zu erreichen.

Die zur Funktion unerlässlichen Gelenkköpfe wurden bisher regelmäßig nach 3 bis 4 Jahren ersetzt. Das Ziel einer verlängerten Gebrauchsdauer aller Bauteile, wie auch der Gelenkköpfe, hat die Auswahl korrosionsbeständiger und wartungsfreier Werkstoffe und Gelenkköpfe in den Vordergrund gerückt. Der Einsatz eines Gelenkkopfes aus NIRO mit einem wartungsfreien Lagerbett für die korrosionsbeständige Gelenkkugel bedarf in der Zukunft nicht mehr der kontinuierlichen Nachschmierfristen. Auch wird eine höhere Gebrauchsdauer des Gelenkkopfes erwartet, um über die bisherige Gebrauchsdauer von hinaus zu kommen.

Bedingungen und Konsequenzen, die zu der Auswahl derart innovativer Gelenkköpfe führten, waren insofern nicht gänzlich neu, als das mit dem Einsatz von wartungsfreien Gelenkköpfen aus NIRO bereits einschlägige Erfahrungen in Waschstrassen für Automobile, der Verpackungstechnik oder in der Lebensmittelherstellung gesammelt werden konnten.

DURBAL

Tel. +49(0)7941 94 60 0

Dr., Dipl.-Ing. Wolfgang Strecker, Geschäftsführer eines Ingenieurbüro für Antriebs- und Fördertechnik in Gelsenkirchen und Gersfeld/ Fulda. Lehrbeauftragter an der Universität Duisburg-Essen

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