Nocken und Nockenfolger: Definition, Typen und Anwendungen

Im Maschinenbau ist ein Nocken-Nockenfolger-Mechanismus ein Higher-Pair-Gelenk (Kraftschluss durch Kurvenkontakt). Nocken und Nockenfolger sind als Rollen- oder Nadellager ausgelegt, die aufeinander abgestimmt arbeiten. Sie gibt es in vielfältigen Konfigurationen, je nach Anwendung und gewünschter Ausgangsbewegung.

Dieser Artikel behandelt Definition, Funktionen, Anwendungen, Bauteile, Typen und Funktionsweise von Nocken und Nockenfolgern (auch Nockenfolger-System genannt).

Definition

Was ist ein Nocken?

Ein Nocken ist ein rotierendes Element, das einem Nockenfolger (Maschinenelement) durch direkten Kontakt eine hin- und gehende (translatorische) oder schwingende (osziillierende) Bewegung aufprägt. Er ist ein Maschinenglied, das durch direkten Kontakt eine gewünschte Bewegung auf den Nockenfolger überträgt.

Nocken wandeln Drehbewegung in Linearbewegung um. Sie können als Exzenter, Exzenterwelle oder Welle mit Nockenprofil wirken, die an verschiedenen Punkten eines Hebels auf dessen Kreisbahn anschlägt.

Ein einfacher Nocken als Zahn an einem Dampfhammer erzeugt Kraftstöße.

Was ist ein Nockenfolger?

Ein Nockenfolger ist ein rotierendes oder schwingendes Maschinenteil, das durch die Bewegung des Nockens über direkten Kontakt bewegt wird. Er bewegt sich senkrecht zur Nockenachse, wenn der Nocken eine hin- und gehende Bewegung ausführt.

Kurz: Der Nocken ist das treibende Glied (Driver), der Nockenfolger das getriebene Glied (Driven). Ein Gestell führt den Nocken und führt den Nockenfolger.

Funktionen

• Gleichmäßige Kraftverteilung in einem Maschinenelement
• Durch Zylinderrollen lassen sich sprungfreie Bewegungen erzeugen
• Vielfältige Linearbewegungen durch Nockenprofilgestaltung realisierbar
• Hohe Schockabsorption durch große Dicke im Vergleich zu Lagern – erhöht mechanische Effizienz
• Vielseitig einsetzbar: Getränkeautomaten, Flugzeuganwendungen, Förderbänder

Anwendungen

• Verbrennungsmotoren: Öffnen/Schließen von Ein- und Auslassventilen über Nockenwelle
• Hydrauliksysteme
• Automatisierte Maschinen
• Druckmaschinen
• Textil- und Landmaschinen
• Zahnradfertigungsmaschinen
• Automatische Drehmaschinen
• Wanduhren

Zusätzlich nutzen Ingenieure Nockenfolger-Mechanismen für fehlerarme Bewegungen. In der Automobilindustrie treiben sie Kraftstoffpumpen an und steuern Ventile.

Bauteile

Die Bauteile variieren je nach Nockentyp. Grundsätzlich besteht der Mechanismus aus drei Elementen: Treibendes Glied (Nocken), Gestell (führt Nocken und Nockenfolger), Getriebenes Glied (Nockenfolger).

Wichtige Begriffe

• Nockenprofil: Kontaktfläche zwischen Nocken und Nockenfolger
• Basiskreis: Kleinster Kreis des Nockenprofils vom Drehzentrum aus
• Nachführpunkt (Trace Point): Referenzpunkt am Nockenfolger zur Erzeugung des Nockenprofils
• Polhode (Pitch Curve): Bahnkurve des Nachführpunkts bei feststehendem Nocken
• Druckwinkel: Winkel zwischen Normale auf die Polhode und Bewegungsrichtung des Nockenfolgers
• Punkt maximalen Druckwinkels (Pitch Point): Punkt auf der Polhode mit maximalem Druckwinkel
• Teilkreis (Pitch Circle): Kreis durch den Pitch Point
• Primärkreis (Prime Circle): Kreis, der tangential an die Polhode grenzt und zum Basiskreis konzentrisch ist

Nockentypen

Scheiben- / Plattennocken (Disk/Plate Cam)

Unregelmäßiger Umriss, um eine spezifische Nockenfolgerbewegung zu erzeugen.

Zylindernocken (Cylindrical Cam)

Nut in der Mantelfläche eines Zylinders; Nockenfolger läuft auf der Zylinderoberfläche parallel zur Zylinderachse.

Translationsnocken (Translating Cam)

Gerillte oder konturierte Platte; Nockenfolger schwingt in der Plattenebene. Bewegung durch Nut/Kontur vorgegeben.

Keilnocken (Wedge Cam)

Gewinkelte, plane Kontur für definierte Nockenfolgerbewegung.

Spiralnocken (Spiral Cam)

Halbkreisförmige oder spiralförmige Nut; Nockenfolger bewegt sich hin und her, senkrecht zur Nockenachse.

Herzförmige Nocken (Heart-Shaped Cam)

Asymmetrisch herzförmig. Wird verwendet, um Wellen über Rollendruck in eine definierte Position zurückzuführen.

Nockenfolgertypen

Messerfolgen (Knife-Edge Follower)

Scharfe Kante als Kontaktfläche. Einfachste Bauform, nur für langsame Anwendungen (hoher Verschleiß bei Geschwindigkeit).

Rollenfolger (Roller Follower)

Rollenkontakt mit Nockenoberfläche. Für hohe Geschwindigkeiten, geringerer Verschleiß.

Flachfolger (Flat-Faced Follower)

Plane Kontaktfläche, für unregelmäßige Nocken. Bei begrenztem Bauraum und zur Aufnahme von Querkräften. Auch für präzise Anwendungen.

Kugelfolgen (Spherical Follower)

Gekrümmte Kontaktfläche, Modifikation des Flachfolgers.

Radialfolger (Radial Follower)

Bewegungsrichtung verläuft durch Nockenwellenmittelpunkt. Hin- und gehende Bewegung auf einer Geraden. Diagramm wie Kugelfolger.

Versetzter Folger (Offset Follower)

Bewegungsachse des Folgers nicht kollinear mit Nockenachse.

Funktionsweise

Nocken und Nockenfolger sind funktional voneinander abhängig – ohne das Gegenstück nutzlos. Der Nocken dreht sich auf einer kreisförmigen oder elliptischen Bahn um die Nebenachse des Folgers. Er überträgt oszillierende, hin- und gehende oder lineare Bewegung.

Nocken sind oft oval, unrund oder elliptisch. Ein ovaler Nocken bedeutet periodische Bewegung („äußerer Bug“). Essentiell für periodisch-mechanische Arbeiten. Nocken können einzeln (Single Head) oder mehrfach (Multiple Head) ausgeführt sein.

Der Nockenfolger nimmt Schub oder Zug vom Nocken auf und leitet die Bewegung an das gewünschte Maschinenteil weiter. Er rotiert auf einem oszillierenden oder kreisförmigen Bogen.

Fazit

Dieser Artikel hat Definition, Funktionen, Anwendungen, Bauteile, Typen und Funktionsweise von Nocken und Nockenfolgern dargestellt.

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