Drehmomente (1): Rangierwagenheber

2., 3. und 4. Ausbildungsjahr

Hebel und Drehmoment

Die beiden Beiträge Drehmomente (1) und Drehmomente (2) sollen zu einer Projektarbeit anregen. Ihr Thema ist ein Wagenheber.
Zuvor einige allgemeine Anmerkungen zu Hebel und Drehmoment. Drehmomente wirken bei allen Arten von Hebelsystemen; sie ändern Kraftrichtungen und übersetzen Kräfte. Auf der Hebelwirkung beruht die Funktion von Riemen- und Kettentrieben, Zahnrädern, Schraubenschlüsseln, Zangen, Scheren usw. Man unterscheidet einseitige Hebel, zweiseitige Hebel und Winkelhebel.

Drehmoment, Hebelgesetz
Greifen an einem Hebel Kräfte an, dann entstehen Drehwirkungen, die man allgemein als Drehmomente bezeichnet. Das Drehmoment hat die Einheit N • m = Newtonmeter.
Ein Drehmoment hängt ab von
- der Größe der Kraft,
- der wirksamen Hebellänge.

Die wirksame Hebellänge ist der senkrechte Abstand von der Wirkungslinie der Kraft zum Drehpunkt. Bei Hebelberechnungen geht man davon aus, dass der betrachtete Hebel im Gleichgewicht ist, d. h. er dreht sich nicht. Ein Hebel ist im Gleichgewicht, wenn die Summe aller linksdrehenden Momente gleich der Summe aller rechtsdrehenden Momente ist.

Ein Kraftprotz

Projekt Wagenheber

Kurzbeschreibung des Wagenhebers
Zwischen den beiden Seitenwänden des Fahrgestells liegen der Hydraulikblock mit Pumpenkolben und Entlastungsventil - das Ölsteuersystem also, und der Hubarm. Die beweglichen Rollen erlauben das Rangieren in verschiedenen Fahrrichtungen. Beim Pumpen (Pumpenhebel) drückt Öl die Kolbenstange nach rechts und hebt den Hubarm an. An den Wänden unten und am Hubarm oben gelagerte Parallelschwingen gewährleisten, dass der Tragsattel in jeder Hubarmposition senkrecht steht. Wird das Entlastungsventil, eine einfache Schlitzschraube, geöffnet, fährt der Arbeitskolben, unterstützt von einer Zugfeder, wieder zurück und der Hubarm schwenkt nach unten.

Der Wagenheber ist für eine Hublast bis 2 Tonnen (= 2 000 daN = 20 000 N) ausgelegt. In den Aufgaben gehen wir davon aus, dass diese Höchstlast auf den Sattel aufgesetzt ist. Drehpunkt des Hubarms ist die Achse 0.

Der Hydraulikblock ist im Folgenden schematisch dargestellt.

Beim Auf- und Abbewegen des Pumpenkolbens wird zuerst Öl aus einer Vorratskammer angesaugt, dann - beim Pumpen - zum Hubkolben gedrückt. Die unterschiedlichen Kolbenflächen haben eine Kraftübersetzung zur Folge. Sie ist durch das Verhältnis der Kolbenflächen festgelegt. Die Ventile V1 bis V4 verschließen die Ölräume gegeneinander bzw. dienen als Luftnachsaugeinrichtungen.

Weitere Erklärungen im Beitrag Drehmomente (2).

Ein (notwendiges) Nachwort
Für den N+T-Unterricht wäre der Wagenheber ein sehr geeignetes Anschauungs- und Studienobjekt, wenn er nur leichter und mit einem weniger schlechten Gewissen zu beschaffen wäre. Seine Vorgeschichte: Eine Supermarktkette bot den etwa einen halben Meter langen und knapp 10 Kilogramm schweren Wagenheber im Februar 2009 für ganze 17,99 Euro an. Der tec.LEHRERFREUND erstand ein Exemplar davon, und bevor er ihn selbst studierte, machte ihm ein Überschlag klar: Für dieses Geld kann er nur von Menschen hergestellt worden sein, die wohl keinen ganzen Euro pro Tag verdienen. Das gekaufte Modell besteht aus etwa 20 Bauteilen (alle Normteile wie Schrauben, Muttern, Unterlegscheiben Klammern und Sicherungsringe als ein Bauteilpaket gerechnet). Rechnen wir 4 Euro für Verpackung und Transport ab und für die Mehrwertsteuer runde 3,50 Euro, dann durfte jedes Teil grob 10 Euro : 20 Teile = 50 Cent kosten. Das schaffen nicht einmal die Gutmütigsten, zumal unter den Bauteilen ein geschweißtes Kastenprofil ist und ein sehr ordentlicher gegossener Hydraulikblock. Unsere Supermarktkette wird ja wohl auch noch einen Gewinn gemacht haben, oder sollte sie dem tec.LEHRERFREUND das Gerät geschenkt haben?

Von schlechter Qualität wird der mit 2 Tonnen belastbare Wagenheber auch nicht sein, denn die beigelegte Betriebsanleitung versichert, der TÜV Süd habe das Gerät geprüft. Schließlich ziert ein GS-Gütezeichen Verpackung und Betriebsanleitung. Auch die CE-Konformitätserklärung fehlt nicht.

Übrigens erwarb der tec.LEHRERFREUND einen Tag nach dem Einkauf für sein Büro einen kleinen Holzstempel mit 3 cm Durchmesser plus Stempelkissen, beides »made in Germany«: 17 Euro.

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