Nocken & Mitnehmer: Typen, Nomenklatur, Funktion & Anwendungen – Diagramme & PDF

Nocken und Mitnehmer

Nocken und Mitnehmer bilden ein Paar höherer Paare, das zur direkten oder periodischen Bewegung von Gliedern dient. Sie verringern den Fehlergrad. Bereits im 3. Jahrhundert v. Chr. wurde der Nocken in hellenistischen wassergetriebenen Automaten verwendet.

Im 4. Jahrhundert n. Chr. fand sich die Vorrichtung in al-Dschazaris Konstruktionen. Nocken-Mitnehmer-Mechanismen werden vorwiegend in Verbrennungsmotoren zur Ventilsteuerung eingesetzt.

Zudem nutzen Ingenieure den Mechanismus als Teil der Steuerzeiten von Verbrennungsmotoren. In der Automobilindustrie betätigt der Nocken-Mitnehmer-Mechanismus Kraftstoffpumpen.

Der Mechanismus besteht aus drei Elementen: einem treibenden Glied (Nocken), einem Rahmen, der Nocken und Mitnehmer hält, dem vom Rahmen geführten Mitnehmer und dem getriebenen Glied (Mitnehmer).

Was ist ein Nocken?

Der Nocken ist ein rotierendes Bauteil, das dem Mitnehmer durch direkten Kontakt eine hin- und gehende oder schwingende Bewegung erteilt. Er wandelt im Wesentlichen Drehbewegung in Linearbewegung um.

Es handelt sich um ein Maschinenelement – ein rotierendes Rad oder eine Welle, das an mehreren Punkten seines Kreiswegs einen Hebel betätigt. In Dampfhämmer dient ein einfacher Zahn als Nocken, um Kraftstöße auf den Hammer zu übertragen.

Nockentypen

Nachfolgend die Nockentypen im Detail:

1. Nach Nockenform
   1. Keil- oder Flachnocken
   2. Scheiben- oder Plattennocken
   3. Spiralnocken
   4. Zylindrische Nocken
   5. Herzförmige Nocken
   6. Translierende Nocken
   7. Schneckenfallnocken (Snail Drop)
   8. Konjugierte Nocken
   9. Globoide Nocken
   10. Kugelige Nocken
2. Nach Mitnehmerbewegung
   1. Heben – Senken – Heben
   2. Rasten – Heben – Rasten – Senken – Rasten
   3. Rasten – Heben – Senken – Rasten
3. Nach Zwangsart des Mitnehmers
   1. Vorgespannter Feder-Nocken
   2. Schwerkraft-Nocken
   3. Formschlüssiger Nocken (Positive Drive)

1. Keil- oder Flachnocken

Der Keil- oder Flachnocken hat eine geradlinige Form zur Erzeugung einer definierten Mitnehmerbewegung.

2. Scheiben- oder Plattennocken

Der Scheiben- oder Plattennocken besitzt keine geradlinige Form, sondern eine konturierte Fläche für die Mitnehmerführung.

3. Spiralnocken

Beim Spiralnocken verläuft eine halbkreisförmige oder spiralförmige Nut. Der Nocken bewegt sich hin und her, der Mitnehmer senkrecht zur Nockenachse.

4. Zylindrische Nocken

Ein zylindrischer Nocken besitzt eine Nut in einer Zylinderoberfläche; der Mitnehmer bewegt sich parallel zur Zylinderachse auf der Zylinderoberfläche.

5. Herzförmige Nocken

Der herzförmige Nocken ähnelt einem asymmetrischen Herz. Er dient dazu, eine Welle in definierter Position zu halten durch Druck einer Rolle.

6. Translierende Nocken

Der translierende Nocken besteht aus einer konturierten Platte; der Mitnehmer schwingt vor dieser Platte. Die Kontur bestimmt die Mitnehmerbewegung.

7. Schneckenfallnocken (Snail Drop Cam)

Beispiel: mechanische Stempeluhr. Der Nocken läuft auf spiralförmigem Pfad über 24 Stunden, endet in einem scharfen Abfall. Der Mitnehmer fällt ab und löst die Tagesweitung aus.

8. Konjugierte Nocken

Der konjugierte Nocken besitzt zwei separate schwingende Rollen. Die Mitnehmer fungieren als Konjugationsmessvorrichtung. Bei Drehung zeigt die Winkeländerung zwischen den Mitnehmerarmen Profilfehler des Nockens an.

9. Globoide Nocken

Der globoide Nocken zählt zu den komplexesten Nockenformen. Die Wirkflächen sind die Kontaktflächen mit den Rollenoberflächen.

10. Kugelige Nocken

Kugeligen Nockenmechanismen sind eine Alternative zu Kegelrädern, da sie weniger Rückschlag und Reibungsverluste aufweisen.

Was sind Mitnehmer?

Der Mitnehmer ist ein rotierendes oder schwingendes Maschinenelement, das der Nockenbewegung durch direkten Kontakt folgt. Bewegt sich der Nocken hin und her, bewegt sich der Mitnehmer parallel zur Nockenachse.

Er wandelt die Drehbewegung des Nockens in hin- und gehende oder schwingende Bewegung um.

Mitnehmertypen

Nachfolgend die Mitnehmertypen:

1. Nach Mitnehmerform
   1. Rollenmitnehmer
   2. Messerflächenmitnehmer
   3. Flachflächenmitnehmer
   4. Kugelige Mitnehmer
2. Nach Mitnehmerbewegung
   1. Hin- und gehender Mitnehmer
   2. Schwingender Mitnehmer
3. Nach Bewegungslinie
   1. Radialer Mitnehmer
   2. Versetzter Mitnehmer (Offset)

1. Rollenmitnehmer

Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen geeignet, da er glatten Kontakt hält. Geringerer Verschleiß als andere Mitnehmertypen.

2. Messerflächenmitnehmer

Einfacher Mitnehmer mit spitzer Kontaktfläche zum Nocken. Nicht für schnelle Anwendungen geeignet wegen der scharfen Kante.

3. Flachflächenmitnehmer

Flache Kontaktfläche bei unregelmäßigem Nocken. Wird bei begrenztem Bauraum eingesetzt und kann höhere Schubkräfte aufnehmen.

4. Kugeliger Mitnehmer

Gekrümmte Kontaktfläche an Mitnehmer und Nocken. Modifikation des Flachflächenmitnehmers.

5. Hin- und gehender Mitnehmer

Bei Nockendrehung bewegt sich der Mitnehmer hin und her in der Führung.

6. Schwingender Mitnehmer

Am Rahmen angelenkt, schwingt der Mitnehmer, während der Nocken die Drehbewegung erzeugt.

7. Radialer Mitnehmer

Die Bewegungslinie geht durch den Mittelpunkt der Nockenwelle. Führt hin- und gehende Bewegung aus.

8. Versetzter Mitnehmer (Offset)

Die Bewegungslinie ist vom Nockenwellenmittelpunkt versetzt.

Funktionsweise von Nocken und Mitnehmern

Arbeitsweise des Nockens

Der Nocken ist ein Maschinenelement – ein um die kurze Achse des Mitnehmers rotierendes Rad. Vereinfacht: Der Nocken erzeugt hin- und gehende, schwingende oder lineare Bewegung am Mitnehmer.

Die Nockenform ist meist oval, unvollständiger Kreis oder elliptisch. Bei ovaler Form entstehen periodische externe Lasten, die für periodische mechanische Aufgaben nutzbar sind. Es gibt Ein- und Mehrfachkopfnocken.

Arbeitsweise des Mitnehmers

Der Mitnehmer ist das Element, relativ zu dem der Nocken in schwingender oder kreisförmiger Bewegung rotiert. Er nimmt die Schub- und Zugkräfte des Nockens auf und leitet die Bewegung an das gewünschte Maschinenteil weiter.

Der Nocken-Mitnehmer-Mechanismus ist wechselseitig abhängig. Der Mitnehmer beschreibt einen schwingenden oder kreisförmigen Bogen.

Dieser Mechanismus ist im Maschinenbau unverzichtbar und erfüllt vielfältige Funktionen in unterschiedlichen Maschinen.

Nomenklatur / Terminologie des Nockens

Wichtige Begriffe:

1. Nockenprofil
2. Basiskreis
3. Polhode (Pitch Curve)
4. Spurpunkt (Trace Point)
5. Druckwinkel
6. Polpunkt (Pitch Point)
7. Polkreis (Pitch Circle)
8. Primärkreis (Prime Circle)

1. Nockenprofil

Die Oberfläche des Nockens, auf der der Mitnehmer aufliegt.

2. Basiskreis

Der kleinste Kreis des Nockenprofils vom Drehmittelpunkt aus.

3. Polhode

Entsteht, wenn man den Nocken als starr annimmt und der Spurpunkt des Mitnehmers den Nocken umläuft.

4. Spurpunkt

Referenzpunkt am Mitnehmer zur Ermittlung des Nockenprofils.

5. Druckwinkel

Winkel zwischen der Normalen zur Polhode und der Bewegungsrichtung des Mitnehmers.

6. Polpunkt

Punkt maximalen Druckwinkels.

7. Polkreis

Kreis durch den Polpunkt.

8. Primärkreis

Kreis, der die Polhode berührt und zum Basiskreis konzentrisch ist.

Warum Nocken und Mitnehmer?

Im Maschinenbau ermöglichen Nocken-Mitnehmer-Mechanismen eine gleichmäßige Kraftverteilung in einem Maschinenelement.

Durch Anbringen eines Zylinderrollers an ein Maschinenelement lässt sich spontane Bewegung erzeugen. Der Mechanismus passt sich Elementen in Größe und Form einer Mutter an. Verschiedenste Linearbewegungen sind realisierbar.

Zudem absorbiert der Mechanismus durch größere Materialstärke hohe Stöße im Vergleich zu anderen Lagern, was die mechanische Effizienz steigert.

Die Vielseitigkeit reicht von Getränkeautomaten bis zu Luftfahrtanwendungen. Auch in Förderbändern findet er Verwendung.

Flachmitnehmer betätigen häufig Motorventile, Rollenmitnehmer kommen in Öl- und Stationärmotoren zum Einsatz.

Anwendungsbereiche

1. Verbrennungsmotor: Öffnen/Schließen von Ein- und Auslassventilen
2. Hydrauliksysteme (druckabhängig)
3. Druckmaschinen: Positionieren und Druckausführung
4. Textilmaschinen: Nähen und Stofftransport
5. Schrauben- und Zahnradfertigungsmaschinen
6. Wanduhren und Automatikdrehmaschinen

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Fazit

Nocken und Mitnehmer finden breiteste Anwendung in der Fertigungsindustrie. Alle Typen wurden mit Diagrammen behandelt. Fragen stellen Sie gerne in den Kommentaren.

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