Querkraft

Die Querkraft, auch als Scherkraft bekannt, ist jene Kraft, die parallel zu einer Schnittfläche wirkt. Sie verursacht eine Verschiebung in der Struktur, die senkrecht zur Richtung der Last ist. In mechanischen Systemen und Bauwerken ist diese Kraft von zentraler Bedeutung. Sie beeinflusst die Stabilität und Festigkeit von Bauteilen und bestimmt ihre Fähigkeit, tangentialen Belastungen standzuhalten.

Bedeutung in der Vakuumtechnik

In der Vakuumtechnik spielt diese Kraft eine wichtige Rolle, da sie die Stabilität und Funktion von Vakuumkomponenten beeinflussen kann. Vakuumsysteme bestehen aus verschiedenen Bauteilen, die unter Vakuumdruck und externen Kräften stehen. Die tangential wirkende Querkraft kann die Integrität des Vakuumsystems gefährden, wenn sie nicht ordnungsgemäß berücksichtigt wird.

Wirkung der Querkraft

Sie kann in Vakuumkomponenten auf verschiedene Weise auftreten:

Dichtungen und Verbindungen: Die Kraft kann zu einer tangentialen Verschiebung oder Verformung von Dichtungen führen, was die Dichtheit des Systems beeinträchtigt. Eine unzureichende Abdichtung kann das Vakuumniveau senken und die Leistung des Systems verschlechtern.
Halterungen und Montagestrukturen: Es gibt Komponenten, die unter Vakuumbedingungen montiert werden. Sie müssen so ausgelegt sein, dass sie den durch externe Lasten verursachten Scherkräften standhalten. Eine unzureichende Dimensionierung kann zu strukturellen Schäden oder einem Ausfall der Halterungen führen.

Wie wird die Querkraft berechnet?

Die Querkraft V in einem mechanischen System, wie einem Balken oder einer Struktur, wird in der Regel durch die Analyse der auf die Struktur wirkenden Kräfte und Momente berechnet. Eine allgemeine Vorgehensweise zur Bestimmung der Querkraft in einem bestimmten Punkt eines Balkens oder einer Struktur besteht darin, die resultierende tangentiale Kraft zu ermitteln.

Allgemeine Formel

Sie lautet:

V=F×μ

wobei:

V die Querkraft ist,
F die Normalkraft oder die resultierende Kraft, die senkrecht zur Oberfläche wirkt,
μ der Reibungskoeffizient ist, der die Reibung zwischen den Kontaktflächen beschreibt.

Beispiel an einem Vakuumsauger

Angenommen, wir haben einen Vakuumsauger, der ein Werkstück mit einem bestimmten Unterdruck anhebt. Wir möchten die tangentiale Querkraft V berechnen, die durch den Sauger auf das Werkstück ausgeübt wird, um sicherzustellen, dass das Werkstück sicher gehalten wird.

Gegeben:

Unterdruck des Saugers: P=0,2 bar=20,000 PaP
Auflagefläche des Vakuumsaugers: A=0,08 m2
Reibungskoeffizient zwischen Sauger und Werkstück: μ=0,4

Berechnung der Normalkraft F:
Die Normalkraft F, die durch den Unterdruck auf das Werkstück wirkt, ist das Produkt aus Druck P und Fläche A:
F=P×A=20,000 Pa×0,08 m2=1,600 N
Berechnung der Querkraft V:
Die Querkraft V ist das Produkt aus der Normalkraft F und dem Reibungskoeffizienten μ:
V=F×μ=1,600 N×0,4=640 N

Ergebnis

Die tangentiale Querkraft V, die der Vakuumsauger auf das Werkstück ausübt, beträgt 640 N. Diese Kraft muss berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass das Werkstück während der Handhabung nicht abrutscht.

Anwendungsgebiete

Nachfolgend zeigen wir Ihnen, wo die Querkraft unter anderem eine wichtige Rolle spielt:

Vakuumkammern

In großen Vakuumkammern, die in der Forschung oder Industrie verwendet werden, müssen die tangentialen Querkraftbelastungen an den Dichtungen und den Wandverbindungen berücksichtigt werden. Eine falsche Berechnung kann zu Leckagen oder strukturellen Verformungen führen.

Vakuumgreifer und -sauger

Vakuumgreifer, die in automatisierten Fertigungslinien eingesetzt werden, müssen so konstruiert sein, dass sie den tangentialen Querkräften standhalten, die beim Greifen und Bewegen von Werkstücken entstehen. Die Sauger müssen fest an den Werkstücken haften, ohne sich unter der Belastung zu verschieben.

Vakuumleitungen und Flansche

Leitungen und Flansche, die Vakuum transportieren, müssen die tangentialen Scherkräfte berücksichtigen, die durch die Installation und den Betrieb verursacht werden. Dies stellt sicher, dass die Leitungen dicht bleiben und nicht unter Belastung versagen.

Dichtungen in Vakuumpumpen

Vakuumpumpen enthalten Dichtungen, die gegen tangentiale Querkräfte beständig sein müssen, um eine effektive Abdichtung und Pumpleistung zu gewährleisten. Eine fehlerhafte Dichtung kann die Effizienz der Pumpe erheblich beeinträchtigen.