Kniehebelmechanismus - Wie funktioniert er?

Der Kniehebelmechanismus ist ein technisches Prinzip, welches eingesetzt wird, um große Kräfte mit relativ geringem Kraftaufwand zu erzeugen oder umzusetzen. Dieses Prinzip wird vor allem in der Industrie angewendet, um Positionen ohne dauerhaften Kraftaufwand - beispielsweise mit Schnellspannern - zu sichern.

Hebelwirkung und Kraftübertragung

Die Hebelwirkung ist eine grundlegende Gesetzmäßigkeit, welche die Kraftübertragung in Hebelmechanismen erklärt. Es basiert auf der Beziehung zwischen der Kraft, die auf einen Hebel ausgeübt wird, dem Abstand dieser Kraft zu einem Drehpunkt, und der Last, die der Hebel trägt.

Die Kraftübertragung ist der Prozess, bei dem die auf den Hebel ausgeübte Kraft auf einen anderen Punkt übertragen wird. Ein Hebel ist dabei ein starrer Körper, der sich um einen festen Punkt, den sogenannten Drehpunkt, drehen kann. Kräfte können an verschiedenen Drehpunkten entlang des Hebels angewendet werden, um Lasten zu heben oder zu bewegen. Die auf den Hebel ausgeübte Kraft wird auch Druckkraft oder Spannkraft genannt. Diese Kraft wird an einem Ende des Hebelarms oder an einem Punkt zwischen dem Drehpunkt und dem Ende aufgebracht. Die Größe und Richtung der Druckkraft bestimmen, wie effektiv die Last bewegt wird. Durch die unterschiedlichen Längen der Hebelarme auf beiden Seiten des Drehpunkts entsteht die Hebelwirkung. Wenn der Kraftarm länger ist als der Lastarm, kann eine kleinere Kraft eine größere Last bewegen. Umgekehrt, wenn der Lastarm länger ist, wird eine größere Kraft benötigt, um dieselbe Last zu bewegen.

Wie funktioniert der Kniehebelmechanismus?

Der Kniehebelmechanismus ist ein mechanisches Prinzip, das häufig in verschiedenen Anwendungen wie Klemmvorrichtungen, Pressen oder bei der Übertragung von Bewegungen verwendet wird. Die Funktion des Kniehebels basiert auf der Verwendung von zwei oder mehreren Hebelarmen, die in einer Art und Weise miteinander verbunden sind, dass sie einen knieähnlichen Winkel bilden können.

Der Kniehebel besteht aus mindestens zwei starren Hebelarmen fester Länge, die durch ein Gelenk miteinander verbunden sind. Der Mechanismus funktioniert so, dass durch seitliches Bewegen des verbindenden Gelenkes aufgrund der festen Länge der Hebel eine Bewegung der Hebelenden erzwungen wird. Wenn der Kniehebel über den geraden Zustand gebracht wird, kann er bei Verwendung eines festen Anschlags große Lasten mit relativ geringem Aufwand halten.

Die Funktionsweise des Kniehebelmechanismus beruht auf der bereits erläuterten Hebelwirkung und Kraftübertragung. Je nach Ausrichtung der Hebelarme zueinander steigt durch die Hebelwirkung mit zunehmender Streckung des Kniehebels bei gleichbleibender Kraft auf das Gelenk die von den Hebelenden ausgeübte Druckkraft. Bei einer fast geraden Stellung des Kniehebels entsteht eine Selbsthemmung, was so viel bedeutet, dass bereits eine geringe Haltekraft ausreicht, um eine sehr große Last zu tragen oder Spannkraft zu halten.

Wie ist ein Kniehebel aufgebaut?

Der Aufbau eines Kniehebelmechanismus ist geprägt durch seine charakteristische Fähigkeit, eine starke Klemmkraft oder Haltekraft bei minimaler Anstrengung zu erzeugen, sobald der Mechanismus in die "überstreckte" Position gebracht wird. Hier sind die Hauptkomponenten und ihre Funktionsweise:

• Hebelarme: Der Kniehebel besteht aus mindestens zwei Hebelarmen. Diese Arme sind so miteinander verbunden, dass sie einen Winkel bilden können, der einem menschlichen Knie ähnelt, wenn der Hebel in Aktion tritt.
• Gelenke: Die Hebelarme sind über mindestens ein Gelenk miteinander verbunden. Dieses Gelenk ermöglicht es den Hebelarmen, sich relativ zueinander zu bewegen. Bei vielen Kniehebeln gibt es zusätzliche Gelenke, die weitere Bewegungsfreiheiten oder spezifische Bewegungsabläufe ermöglichen.
• Drehpunkt: Der Drehpunkt ist der feste Punkt, um den sich die Hebelarme bewegen. In einem Kniehebel kann der Drehpunkt in einem der Gelenke oder in einem separaten Teil des Mechanismus liegen.
• Kraftpunkt: Dies ist der Punkt, an dem die Kraft auf den Hebel ausgeübt wird, um ihn zu betätigen. Die Position und Art der Kraftanwendung können je nach Design und Zweck des Kniehebels variieren.
• Lastpunkt: An diesem Punkt wird die Last oder der Widerstand angewendet. Es handelt sich also um den Punkt, an dem die aufgebrachte Spannkraft wirkt.
• Überstreckmechanismus: Der Schlüssel zum Kniehebelmechanismus ist die Fähigkeit, eine Position zu erreichen, in der die Hebelarme und die Verbindungsachsen nahezu oder vollständig in einer Linie ausgerichtet sind. In dieser Position, die oft als "überstreckt" oder "totpunktüberschreitend" bezeichnet wird, erreicht der Mechanismus seine maximale Haltekraft und stabilisiert sich selbst. Es wird nur eine minimale Kraft erfordert, um diese Position aufrechtzuerhalten.

(1) Kleiner Winkel θ (2) Großer Winkel θ (3) Winkel θ = 180° (Totpunkt)

Überstreckmechanismus und Übertotpunktverriegelung

Wie bereits erwähnt, verfügen Kniehebel über einen Überstreckmechanismus, der es den Hebelarmen ermöglicht, in eine überstreckte Position zu gelangen. Die Übertotpunktverriegelung bzw. Selbsthemmung ist ein zentrales Merkmal dieses Mechanismus. Diese Selbsthemmung ist für die hohe Haltekraft und Klemmkraft bei gleichzeitig geringem Kraftaufwand verantwortlich.

Der Totpunkt in einem Kniehebelmechanismus ist der Moment, in dem die Hebelarme und die Verbindungsachsen eine gerade Linie bilden. In dieser Position ist der Hebel am längsten gestreckt. Der Totpunkt ist der Punkt, in dem der Kniehebelmechanismus die größte Kraft aufbringt. Dieser Zustand ist sehr instabil und wird durch leichte Kraftveränderung in eine beliebige Richtung verlassen.

Die Übertotpunktverriegelung tritt auf, wenn der Mechanismus leicht über diesen Totpunkt hinaus bewegt wird. In dieser überstreckten Position werden die Hebelarme so ausgerichtet, dass sie eine leicht geknickte Knieform bilden. Ist das Kniegelenk überstreckt, verriegelt sich das Kniegelenk automatisch. Nach Erreichen dieser Position ist nur eine minimale Kraft erforderlich ist, um den Hebel in der verriegelten Stellung zu halten. Diese Art der Verriegelung ist besonders nützlich in Anwendungen, bei denen eine starke, dauerhafte Klemmkraft ohne ständige manuelle Kraftanwendung benötigt wird. Beispiele sind Werkzeugspanner, Schnappverschlüsse und Haltevorrichtungen in der Fertigungstechnik.

Wo kommen Kniehebel zum Einsatz?

Der Kniehebelmechanismus wird häufig für Anwendungen verwendet, bei denen eine starke Klemmkraft oder Haltekraft mit minimaler fortlaufender Kraftanwendung benötigt wird. Beispiele sind Klemmvorrichtungen in Werkzeugmaschinen, Spannvorrichtungen in der Fertigung und Verschlussmechanismen in verschiedenen Geräten. Darüber hinaus werden Kniehebel auch für die Arretierung oder Sicherung von Komponenten benutzt.

Die nachfolgende Beispielabbildung zeigt einen Kniehebelspanner, der aus zwei Bauteilen besteht, die über zwei Koppeln miteinander verbunden sind. Das feste Bauteil ist die Gerade AB, der Hebel ist die Gerade CD. Wird der Hebel betätigt, bewegt sich der Punkt D um den Punkt A, weil der Punkt C um den Punkt B bewegt wird. Der Totpunkt mit der Gerade BCD wird während der Bewegung erreicht. In diesem Zustand wird die maximal wirkende Kraft auf das Bauteil erzeugt. Der Totpunkt ist ein instabiler Zustand, jede Kraftänderung will diesen Zustand verändern. Um eine hohe Haltekraft auf das Bauteil zu realisieren - ohne das die ganze Zeit Kraft auf den Punkt D ausgeübt werden muss - wird der Mechanismus so ausgelegt, dass der Totpunkt in Richtung des roten Pfeils überschritten wird. Die Bewegung endet mit der Auflage des Spanners auf dem Bauteil (nicht dargestellt).

Misumi bietet Kniehebelspanner in unterschiedlichen Ausführungen an, unter anderem mit vertikaler Spannrichtung oder horizontaler Spannrichtung. Darüber hinaus finden Sie in unserem Online-Shop weiteres Zubehör für Schnellspanner, wie zum Beispiel Klemmschrauben, Halterungen oder Armverlängerungen