Torsion: Wie man eine Verdrehung versteht!

Es gibt viele verschiedene Arten von mechanischen Belastungen, die auf ein Objekt einwirken. Eine davon ist die Torsion. In diesem Blog-Artikel werden wir uns die Grundlagen der Torsion ansehen und einige Beispiele untersuchen.

Was ist Torsion?

Torsion ist eine Art von Belastung, die auf ein Objekt einwirkt, wenn eine Drehkraft auf es ausgeübt wird. Die Torsion tritt dann auf, wenn ein Objekt auf eine Weise gedreht wird, die zu einer ungleichmäßigen Verformung des Objekts führt.

Typische auf Torsion belastete Bauteile im Maschinenbau sind Rotationswellen, Antriebswellen und Motorwellen, weil sie ständig Drehmomente aufnehmen müssen.

Diese Elemente sind häufig aus Stahl oder Aluminium. Bei besonderen Einsatzbedingungen kommen auch kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff oder andere Hochleistungswerkstoffe zum Einsatz.

Die eingesetzten Werkstoffe sollten eine gute Steifigkeit aufweisen und eine starke Widerstandsfähigkeit gegen Torsion bieten.

Beispiel für Torsion

Ein häufiges Beispiel für Torsion tritt bei Seilwinden auf (z. B. Ein Kran hebt eine Last). Sobald sich die Seilwinde dreht, zieht sie an dem Seil aber das Seil wirkt dem Ziehen durch die Gewichtskraft entgegen.

Da das Seil auf eine Trommel gewickelt ist, entsteht ein Abstand zwischen Seil und Achsmitte, woraus in Verbindung mit der am Seil ziehenden Gewichtskraft ein Torsionsmoment resultiert. Das entstehende Torsionsmoment wirkt auf die Welle und diese wird auf Torsion belastet. Die Steifigkeit der Welle muss diesem Moment entgegenwirken.

Theorie der Torsion

Die Theorie der Torsion besagt, dass ein Objekt, das einer Drehkraft ausgesetzt ist, sich in einer Weise verformen wird, die der Drehkraft proportional ist. Dies bedeutet, dass die Verformung eines Objekts direkt proportional zur Größe der Drehkraft ist.

Torsionsmoment

Das Torsionsmoment ist ein Maß für die Drehkraft eines Objekts. Es wird als Produkt aus dem Radius des Objekts und der Drehkraft angegeben. Es kann auf viele Arten berechnet werden, aber die häufigste Methode ist die Verwendung von Drehmomentarmen. Der Drehmomentarm ist ein Messwert, der angibt, wie weit das Drehmoment auf einem Objekt wirkt.

Das Torsionsmoment T wird berechnet, indem man die Kraft F, die auf den Hebel wirkt, mit der Länge r des Hebels multipliziert.

Verdrehwinkel

Die Belastung führt zu einer Verwindung des Stabs, die als Verdrehwinkel (θ_t) angegeben wird.

Torsionsschwingungen

Torsionsschwingungen sind eine Art mechanische Schwingung, die durch die Drehung eines festen Körpers um seine Längsachse ausgelöst wird. Diese Schwingungen können in vielen mechanischen Anwendungen wie Motoren oder Getrieben vorkommen. Sie sind unerwünscht da diese Schwingungen in der Lage sind zur kompletten Zerstörung einer Applikation zu führen.

Moment Mal! Wie kann man Torsion in der Mechanik nutzen?

Eine typische Nutzung von Torsionskräften sind Torsionsfedern.

Torsionsfedern sind Federn, die durch ein Drehmoment belastet werden. Sie werden oft in Anwendungen eingesetzt, bei denen ein Drehmoment oder eine Rotationskraft benötigt wird.

Schenkelfedern sind eine Form von Torsionsfedern. Sie bestehen aus einem Draht mit einer kreisförmigen Querschnittsfläche und können entweder rechts- oder linksgewunden sein.

Die Belastbarkeit einer Schenkelfeder hängt vom Material sowie dem Materialquerschnitt und Schenkellänge ab.

Eine höhere Federkraft kann bei Schenkelfedern erreicht werden, indem man auf einer Achse mehrere Schenkelfedern einsetzt.

Weitere Formen von Torsionsfedern sind Drehstabfedern, Spiraldrehfeder und Rollfedern.

Ein beispielhafter Einsatzbereich für Torsionsfedern ist der Einsatz als Federscharnier in selbstschließenden Türelementen oder als Vorspannelement für Klinken von Ratschen.