„Gelenk (Technik)“ – Versionsunterschied

Ein technisches Gelenk ist eine in vorgebenener Art und Weise bewegliche Verbindung zwischen zwei starren Körpern.^[1] Die jeweilige Beweglichkeit eines Gelenks kann mit der in ihm stattfindenden Bewegungsform Rotieren (Drehgelenk) und/oder Verschieben (Schubgelenk) und mit dem diese quantitativ bewertenden Freiheitsgrad angegeben werden.

Im Besonderen handelt es sich um die die Glieder einer kinematischen Kette verbindenden Elemente.

Die in Maschinen, mechanischen Geräten und Bauwerken wie Brücken einzeln vorkommenden Gelenke werden i. d. R. als Lager (Maschinen-Lager, Bauwerk-Lager) bezeichnet.

Kombinationen aus zwei oder drei Gelenken und den dazwischen befindlichen Körpern haben als Maschinenelemente eigene Namen wie beispielsweise das Kardangelenk und das Gleichlaufgelenk.

Die Knochen-Gelenke der Wirbeltiere im Körper von Lebewesen sind von den Weichteilen (Muskeln, Blut- und Nerven-Bahnen) umhüllt, so dass die miteinander verbundenen Knochen nicht beliebig wie technische Körper umeinander rotieren, sondern sich nur in einem begrenzten Winkelbereich gegeneinander bewegen können. Deshalb kommt das Rad in der Natur nicht vor.

In einem Gelenk stehen die zu verbindenden Körper in dauernder Berührung. Die in besonderer Weise geometrisch gestalteten beiden Berührungsstellen (z. B. als Bohrung und Bolzen) werden als Berührungs- oder Gelenkelemente bezeichnet. Sie bilden günstigenfalls einen Formschluss. Die Berührungsart ist flächen-, linien- oder punktförmig. Die Relativbewegung erfolgt gleitend oder/und wälzend.^[2]

Die Grundformen der Gelenke werden unterschieden nach der Form der Gelenkelemente, der Art der Relativbewegung zwischen ihnen und dem Freiheitsgrad f der Bewegung. In einem Gelenk können Drehungen und Schiebungen miteinander kombiniert sein.

Grundformen der Gelenke: Name und Freiheitsgrad

Fig. 1: Schubgelenk, f = 1 Fig. 2: Drehgelenk, f = 1 Fig. 3: Schraubgelenk, auf Schraubenlinie schiebbar, f = 1 Fig. 5: Drehschubgelenk (Plattengelenk), Schieber in Ebene schieb- und senkrecht dazu drehbar, f = 3 Fig. 6: Drehschubgelenk, axial schieb- und um Achse drehbar, f = 2 Fig. 7: Kugelgelenk, f = 3 (Kugel zwischen zwei im äußeren Tel sich gegenüber befindenden Pfannen geführt)

Am häufigsten werden das Drehgelenk (Fig. 2), das Schubgelenk (Fig. 1) und das Kugelgelenk (Figur 7, für räumliche Getriebe) angewendet.

Das einfache Schubgelenk (Fig. 1) lässt nur eine Schiebung zu (f=1). Es wird aber nicht haüfig verwendet, sondern aus Kostengründen vom um die Schubachse zusätzlich drehbaren Drehschubgelenk (Fig. 6, f=2) ersetzt (die Drehbarkeit stört meistens nicht). Letzteres kann leichter hergestellt werden als das lediglich schiebbare Gelenk, weil beide Gelenkteile als Drehteile gefertigt werden können.
Den Freiheitsgrad f=3 hat ein Drehschubgelenk, bei dem der Schieber in einer Ebene verschiebbar und dazu senkrecht drehbar ist (Fig. 5, Plattengelenk).

In den Zahnradgetrieben und Kurvengetrieben wird u. a. das oben nicht enthaltene Kurvengelenk^[3] angewendet. Zwischen seinen Gelenkelementen Zahnflanken bzw. allgemein gekurvten Flanken (z. B. die einer Nockenwelle und eines Ventilstößels im Verbrennungsmotoren) findet Wälzgleiten (Gleiten und/oder Wälzen) statt. Der Freiheitsgrad ist f=2.

Eine gelenkige Verbindung wird als Lager bezeichnet, wenn einer der beiden Körper mit dem Maschinengestell oder dem Fundament fest verbunden und somit in Ruhe ist. Ein Lager ist im Unterschied zum Gelenk meistens nicht Teil eines komplexeren Mechanismus (Getriebes). Im Vordergrund seiner Betrachtung steht fast immer nur die einzige, in ihm stattfindende Art der beweglichen Verbindung. In Maschinen und Geräten werden rotierende Wellen und linear verschiebliche Körper (Linearlager), im Bauwesen Brückenträger oder andere punktförmig abgestützte Bauwerke gelagert. In Lagern im Bauwesen finden im Unterschied zu denen in Maschinen und Geräten nur ganz kleine Bewegungen (Schiebungen und Drehungen) statt. Sie dienen lediglich dazu, statisch bestimmtes Lagern herzustellen und bei Störungen (Baugrundsetzungen, temperaturbedingte Längenänderungen u. ä.) aufrecht zu erhalten.

Als Lager in Maschinen und Geräten werden anstatt Gleitlagern oft Wälzlager mit zwischen den Gelenkelementen eingesetzten Wälzkörpern verwendet. Auch diese entsprechen den Gelenk-Grundformen Dreh- und Schub-Gelenk, während die im Bauwesen als Lager verwendeten sogenannten "Wälz-Gelenke" in ihrer Grundform Kurven-Gelenke sind (bei Paarung Beton gegen Beton nur das einzig mögliche Wälzen).^[4]

Das Kreuz- oder Kardan-Gelenk ist eine Aneinanderreihung von zwei Dreh-Gelenken. Die zweite Kontakt-Fläche jedes der beiden Gelenke befindet sich am gemeinsamen kreuzförmigen Zwischenstück (s. Abbildung rechts). Die Achsen der Dreh-Gelenke schneiden sich unter 90°. Der Schnittpunkt ist der Drehpunkt, in dem die beiden rechtwinklig zur jeweiligen Dreh-Gelenk-Achse angeordneten Gelenk-"Stiele" gegeneinander schwenkbar sind. Das Kardan-Gelenk hat 2 Bewegungsfreiheiten. Im Vergleich mit dem Kugel-Gelenk fehlt ihm die Drehfreiheit der Gelenk-Stiele um die eigene Achse. Sein Freiheitsgrad ist f=2.

Die historisch älteste Anwendung war die kardanische Aufhängung, in der das Schwenken um die beiden horizontalen Raumachsen möglich ist, Drehen um die vertikale Achse aber nicht zugelassen wird. Zwischenstück ist eine Ring.

Die fehlende Drehfreiheit um die Gelenkstiele macht das Kreuzgelenk auch für die Drehübertragung zwischen gegeneinander schwenkbaren Wellen (Kardanwelle) geeignet.

Gleichlaufgelenke werden gleich wie das Kreuzgelenk für die Drehübertragung zwischen gegeneinander schwenkbaren Wellen angewendet. Sie haben nicht dessen Nachteil der nicht ganz synchronen, sondern periodisch mit der Drehung leicht schwankenden Drehübertragung. Sie sind wie das Kardangelenk nach außen auf zwei Schwenkbewegungen reduzierte Kugelgelenke. Im Inneren befinden sich auch wie beim Kreuzgelenk Zwischenteile, deren Gelenkelemente sich im Kontakt mit Flächen an varierter Kugel bzw. Pfanne befinden. Beim Rzeppa-Gelenk sind es z.B Kugeln im Kontakt mit genuteten Kugelflächen.

Die Feder-Gelenke gehören weder zu den Gelenk-Grundformen noch zu den Lagern, in denen starre Körper aufeinander gleiten und/oder wälzen. Es gibt sie als angenäherte Dreh- und Schubgeleke mit kleiner Beweglichkeit. Zwischen die Körper, die sich relativ zueinander bewegen sollen, wird ein elastisch nachgebender Körper – z.B ein Federstab, der tortiert oder gebogen wird – fest eingebaut. Feder-Gelenke haben den Vorteil, reibungs-, spiel- und wartungsfrei zu sein.

Torsionsfeder-Gelenke werden oft in mechanischen Messinstrumenten angewendet, wobei das Torsionsmoment als Rückstellmoment benutzt werden kann.

Beim Biegefeder-Gelenk drehen sich die in Anschlussstücken eingespannten Enden beim Biegen des freien Federteils gegeneinander nicht um einen fixen (Gelenk-)Drehpunkt. Der momentane Drehpunkt ist veränderlich, was bei den meisten Anwendungen vernachlässigt werden kann, insbesondere dann, wenn die Auslenkung klein ist. Sie werden im Geräte- und im Maschinenbau als spiel- ud wartungsfreie Gelenke angewendet.

Mit Kombinationen aus Biegefeder-Gelenken lassen sich auch Schub-Gelenke (Linearführungen) darstellen. In Kombinationen aus mehr als nur 2 Federn wird der kleine seitliche Versatz vermieden. [3]. (Abb. 10, rechts)

Da die nötige Drehbeweglichkeit zwischen Bauteilen im Bauwesen sehr klein ist, werden dort auch als “Federgelenke” bezeichnete Lager erstellt, in denen das elastisch nachgebende Zwischenteil aus relativ spröden Werkstoff Beton besteht. Ein solches “Gelenk” wird in einem Guss mit den beiden ebenfalls aus Beton bestehenden Berührungselementen hergestellt.^[5] Siehe auch: Betongelenk.

1. ↑ Johannes Volmer: Getriebetechnik: Leitfaden. 1. Auflage. Vieweg, 1978, ISBN 978-3-528-04096-3, S. 24–27.  (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche)
2. ↑ Kurt Luck, Karl-Heinz Modler: Getriebetechnik: Analyse Synthese Optimierung. 1. Auflage. Springer, 1990, ISBN 978-3-7091-3890-8, S. 5–13.  (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche)
3. ↑ Johannes Volmer, S. 30
4. ↑ Steffen Marx, Gregor Schacht: Gelenke im Massivbau
5. ↑ Gregor Schacht, Steffen Marx, Nora Hoffmann: Beton-Federgelenke