Roterende vs rechtlijnige beweging

De omzetting van een draaiende beweging (een "rotatie") in een heen en weer gaande rechtlijnige beweging (een "translatie") is een van de problemen waar een ingenieur zich voor gesteld ziet. Dat komt, veel aandrijfmachines (een waterrad, de wieken van een molen, een rondlopend paard in een rosmplen, een hond in een tredrad, een mens aan een haspel) wekken een roterende beweging op. Terwijl veel machines juist een translatie behoeven om hun functie te vervullen (een slagoliemolen, een selfactor in een garenspinnerij, een getouw in een weverij, een valhamer in een smederij, een waterpomp).

Dat, althans, was de situatie in de pre-industriele tijd, zoals wel blijkt uit de gegeven voorbeelden.

Met de komst van de industriele revolutie, draaide de behoefte radicaal om. Stoommachines en verbrandingsmotoren halen hun energie uit de expansie van een (heet) gas en dat is een lineair proces. Omdat vrijwel alle productiemachines vanouds geconcipieerd waren op draaiende aandrijving, werden (dus) de nieuwerwetse krachtbronnen (stoommachines en motoren) zo gebouwd, dat ze hun energie draaiend afleverden. Dat kwam hun rendement niet altijd ten goede.

Nog weer later, met de komst van electriciteit, werd het met hoog rendement opwekken van een roterende beweging juist weer veel eenvoudiger. De electromotor draait wel veel sneller dan wat voor eerdere krachtbron ook.

Tal van mogelijkheden

Kruk-drijfstang

Dit is wel het meest bekende systeem om van rotatie op translatie te komen - en omgekeerd. Deze 2D animatie heb ik in OpenSCAD gemaakt. Hier heb je de code: Kruk_Drijfstang.scad

Als de rotatie eenparig is (d.w.z., constant toerental), verloopt de translatie sinusvormig, dus met zachte aanloop en uitloop bij begin en eind van de slag. Dat was - en is - een belangrijk voordeel. Veel machines hebben een hartgrondige hekel aan abrupte wisselingen in de aandrijving. Dat heeft te maken met massatraagheid. Wil je een massa heel snel in beweging brengen of juist tot stilstand, dan heb je een gigantische versnelling/vertraging nodig - en die veroorzaakt (bijvoorbeeld) storingen in een beweging; extra slijtage; ongewenste vervormingen.

De componenten van het gebruikelijke kruk-drijfstang-mechanisme, van links naar rechts:
het kruishoofd op zijn geleiding (rechtlijnige beweging) - de drijfstang - de kruktap - de kruk - de hoofdas - het vliegwiel (roterende beweging)
De kruk is enkel uitgevoerd, zodat de krukpen maar aan een zijde wordt ondersteund. De machine heeft een bajonet-frame. De hoofdas ligt in twee hoofdlagers.

Bij deze snelloper is de kruk dubbel uitgevoerd (twee krukwangen). De machine heeft een Y-frame. De hoofdas is drie keer gelagerd.

Constructief heeft het gebruik van kruk-drijfstang wel een serieuze consequentie. Om vrije beweging van de drijfstang mogelijk te maken, zul je de krukas ter plaatse moeten onderbreken. Je kan nu de krukas aan één zijde van de machine houden en de kruk eenzijdig maken ("bajonetframe"); of je kunt twee krukwangen toepassen, een aan elk einde van de krukpen. De (gedeelde) krukas kan dan aan weerszijde van de krukwangen worden gelagerd ("Y-frame").

Het is verstandig, om de roterende as van een (nauwkeurig uitgerekend) vliegwiel te voorzien, want de heen- en weergaande beweging van de translerende massa geeft anders veel trillingen van het machineframe. Ook heeft dat vliegwiel nut bij het passeren van de twee "dode punten" in de beweging. In die punten staan kruk en drijfstang precies in elkaars verlengde. Als je pech hebt valt de machine in zo'punt stil. Dan is hij NIET zelfaanlopend, je moet hem een duwtje in de rug geven om hem opnieuw te starten.

Kruk-sleuf

De drijfstang veroorzaakt ook zijdelingse krachten op de zuiger en (indirect) op een machineframe. Er is dus zeker een leibaan (een rechtgeleiding) nodig. Wil je de dwarskrachten beperken, dan is een kruk-sleufmechanisme aangewezen. Deze 2D animatie heb ik in OpenSCAD gemaakt. Hier heb je de code: Kruk_Sleuf.scad

Dit heeft t.o.v. kruk-drijfstang nog een speciaal voordeel. Bij een kruk-drijfstang mechanisme, vooral wanneer de ratio krukstraal / drijfstanglengte groot is, komt de drijfstang akelig dicht bij de wand van de cylinder waarin de zuiger heen en weer beweegt. Bij kruk-sleuf komt dat niet voor.

Excenter-drijfstang

Wanneer je maar een kleine slag nodig hebt, kun je misschien beter dit mechanisme kiezen. Het neemt weinig plaats in, de massakrachten zijn gering en het grootste voordeel: je hoeft de krukas niet te onderbreken. Hij loopt gewoon door, dwars door de excenterschijf. Je fixeert deze op de as met een of twee kopspieën. Deze 2D animatie heb ik in OpenSCAD gemaakt. Hier heb je de code: Excenter_Drijfstang.scad

Nok-nokstoter

Dit is te beschouwen als een afgeleide van het excenter-drijfstang mechanisme. Was bij het excenter de excenterschijf nog cirkelvormig, bij een nok is dat niet meer het geval. Het profiel van de nokschijf kan elke denkbare vorm hebben, in ieder geval, iedere praktisch haalbare vorm. Omdat het geen cirkel is, kun je niet, zoals bij het excener, de schijf omvatten met een ring. Bij de nok hoort dus een nokstoter en een nokrol. Deze 2D animatie heb ik in OpenSCAD gemaakt. Hier heb je de code: Nok_Nokstoter.scad

De nokrol wordt met een veer op de nokschijf gedrukt, zodat hij het profiel daarvan nauwkeurig volgt. Nokken zijn vooral in zwang gekomen bij verbrandingsmotoren, omdat daar vaak actie over slechts een klein deel van een omwenteling nodig is.