Die Unterschiede und Gemeinsamkeiten der verschiedenen Drehmomenttypen
Als Drehmoment, auch Kraftmoment, bezeichnet man eine physikalische Größe in der klassischen Mechanik. Der Drehmoment kann in drei unterschiedliche Typen unterteilt werden, auf die wir in diesem Artikel weiter eingehen werden.
Starten wir aber erst einmal mit dem Wesentlichen: Mittels Drehmoment wird stets die Kraft beschrieben, die sich bei der Drehwirkung auf ein Objekt auswirkt. Ein Drehmoment ist so in der Lage, eine Rotation eines Objekts zu beschleunigen oder zu bremsen. Diese Kraft machen Ingenieure sich u.a. bei Konstruktion und Bau von Friktionsscharnieren zu Nutzen. Mittels genauer Berechnungen wird ermittelt, wie viel Drehmoment benötigt wird, um ein Objekt später leicht öffnen und schließen beziehungsweise auch senken und kippen zu können, ohne, dass es bei diesen Vorgängen zu einem Klemmen oder gar Aufschlagen des Objekts (z.B. einem Deckel oder einer Tür) kommt. Außerdem ist es möglich ein Objekt zu biegen oder zu verwinden, statt von einem Drehmoment ist dann jedoch von einem Biege- oder Torsionsmoment die Rede.
Die drei Arten von Drehmomenten in der technischen Mechanik
Der Drehmoment einer einzelnen Kraft bezüglich eines Punktes
Der Drehmoment einer einzelnen Kraft bezüglich einer Achse
Der Drehmoment eines Kräftepaares
Der Drehmoment einer einzelnen Kraft bezüglich eines Punktes (hier A genannt), beschreibt die Ebene, welche die Kraft sowie den Bezugspunkt enthält. In dieser Ebene ist sein Betrag (hier M) definiert als Produkt aus Hebelarm (a) und dem Betrag der Kraft (hier F). Errechnet wird der Drehmoment also mit Hilfe von folgender Formel:
M (Betrag) = a (Hebelarm) x F (Kraft)
Der Hebelarm ist der senkrechte Abstand zwischen einem Bezugspunkt und der gesamten Wirkungslinie seiner Kraft. Da sich der Hebelarm (a) nicht verändert, wenn die Kraft entlang ihrer Wirkungslinie verschoben wird, verändert sich auch das Drehmoment nicht.
Der Drehmoment einer einzelnen Kraft bezüglich einer Achse
In diesem Fall wird als Bezugspunkt der Punkt einer Achse gewählt, welcher dem Angriffspunkt der Kraft am nächsten ist. Der Abstand zwischen diesem Angriffspunkt und der Achse ist dann der Hebelarm. Um das Drehmoment zu berechnen, wird die Kraft in eine Ebene projiziert, die senkrecht zur Achse steht. Das Drehmoment ergibt sich dann aus dem Punkt, der die Ebene der Achse durchstößt. Es ist stattdessen auch möglich, das Drehmoment der ursprünglichen Kraft bezüglich eines Punktes auf einer Geraden zu bilden. Im Anschluss dazu muss der Drehmomentvektor jedoch in eine Ebene projiziert werden, die sich senkrecht auf der Geraden befindet.
Der Drehmoment eines Kräftepaars
Wie der Name Kräftepaar bereits ausdrückt, handelt es sich hier um zwei Kräfte, die sich parallel zueinander auf einer Wirkungslinie befinden. Sie haben den gleichen Betrag, zeigen jedoch in entgegengesetzte Richtungen. Anders als bei einer einzelnen Kraft, ist das Drehmoment hier nicht in der Lage, ein Objekt zu verschieben, sondern es versucht, das Objekt zu drehen. Das Drehmoment eines Kräftepaars ist demnach häufig vorhanden, wenn es zu einer Drehbewegung eines Objekts kommt. Besonderes mathematisches Wissen ist in diesem Fall deshalb von Bedeutung, weil eine der beiden wirkenden Kräfte zumeist nicht direkt erkennbar ist. Die Formel, welche zur Berechnung des Drehmoments eines Kräftepaars verwendet wird, lautet wie auch bei A.: M (X) = a x F
Unterschiede und Gemeinsamkeiten der Drehmomenttypen
Wie eingangs bereits erwähnt, wird mittels Drehmoment stets eine Kraft beschrieben, die sich beim Drehen eines Objekts auf eben dieses auswirkt. Bei der Konstruktion von Friktionsscharnieren, unterscheidet man nun zwischen drei weiteren Drehmoment Profilen, welche bei der Berechnung sowie der späteren Auswahl durch den Endverbraucher berücksichtigt werden müssen, nämlich a) dem symmetrischen Profil oder Typ, b) dem differentialen Typ und c) dem des One – Way Scharniertypen.
Beim symmetrischen Typen handelt es sich um eine Art Friktionsscharnier, welches sich in beide Richtungen gleich stark bewegen lässt. Dieses symmetrische Friktionsscharnier wird u.a. standardmäßig an Türen verbaut. Das Drehmoment, dessen Einheit von Scharnierherstellern nicht einfach mit M, sondern mit N-m für Newtonmeter angegeben wird, kann zwischen 0,2 und 12,00 N-m liegen. Je nachdem welche Kraft benötigt wird, um die Drehbewegung des Objekts ausführen zu können.
Der zweite Drehmoment-Typ ist der differentiale oder asymmetrische Typ. Friktionsscharniere vom differentialen Typ, sind beispielsweise die sogenannten Multi-Achs-Scharniere. Sie ermöglichen ein Drehen des entsprechenden Objekts um ganze 360°. Das Drehmoment liegt hier meist zwischen 0,2 und 8,00 N-m. Auch Friktionsscharniere, welche für die vertikale Montageanwendung vorgesehen werden, sind mit dem differentialen Typ des Drehmoments ausgestattet, da dieser Typ ermöglicht, dass ein Objekt leicht in eine Richtung ausgerichtet werden kann, ohne dabei die Positionskontrolle in die andere Richtung zu behindern. Ideal geeignet somit u.a. an Luken, Abdeckungen und Deckeln.
Zu guter Letzt kommen wir zum One-Way Drehmomenttyp. Diese Art des Drehmomenttypen ist in der Lage, den Drehmoment in eine Richtung nahezu vollständig aufzuheben, sodass das Scharnier in ebendiese Richtung bewegt werden kann. Wichtig: die Haltekraft wird dabei nicht beeinträchtigt. Derartige Friktionsscharniere mit One-Way Drehmoment eignen sich besonders für die senkrechte Montage, wobei sie trotzdem sicher gegen die nach unten wirkende Schwerkraft halten.
Halten wir nun also noch einmal fest: das Drehmoment meint immer die Kraft, welche zur Drehung eines bestimmten Körpers oder Objekts benötigt wird. Bei der Berechnung lässt sich eine einzelne Kraft bezüglich eines Punktes, eine einzelne Kraft bezüglich einer Achse oder aber das Drehmoment eines Kräftepaars unterscheiden. Außerdem ist es möglich, mit Hilfe unterschiedlicher Drehmomenttypen Friktionsscharniere zu konstruieren und zu produzieren, die genau auf die Anforderungsprofile passen, die zur Bewegung eines Objekts benötigt werden. Neben der reinen Bewegung wird außerdem die Positionierung und stets sichere Halterung gewährleistet.