Kniehebel

Bolzenschneider. Öffnen und Schließen mit dem Kniehebelprinzip.

Der Kniehebel ist eine technische Anwendung mit einem Hebelmechanismus unter Anwendung des Hebelgesetzes um Druck- oder Spannvorgänge schnell und kraftvoll ausführen zu können. Durch einen langen Hebel wird bei geringem Hubweg eine große Zug- oder Druckkraft erzeugt. (Kraftmultiplikator)

Bedeutung des Kniehebels im Maschinenbau

Der Kniehebel ist eine geniale Umsetzung eines einfachen Systems, welches mehrere Effekte gleichzeitig in sich birgt. Er wird überall dort angewendet, wo auf den letzten Millimetern eine hohe Kraftübersetzung erforderlich ist, aber nur eine geringe Betätigungskraft zur Verfügung steht. Das Hebelgesetz besagt; je mehr Kraftübersetzung, desto kleiner die Wegübersetzung und umgekehrt. Dies gilt natürlich auch für den Kniehebel, er ändert mit jedem Betätigungsmillimeter sein Übersetzungsverhältnis. Dadurch entsteht im gebeugten Zustand eine hohe Wegübersetzung bei einer geringen Kraftübersetzung. Je mehr der Kniehebel den durchgestreckten Zustand erreicht, desto mehr nimmt bei gleichbleibender Betätigungsgeschwindigkeit die Hubgeschwindigkeit ab, die Presskraft dagegen zu. Bei durchgestrecktem Kniehebel geht die Kraft sogar theoretisch gegen unendlich.

Folgende Effekte werden in einem Kniehebel vereint:

• Eine mechanisch integrierte Verzögerungsrampe bei gleichbleibender Betätigungsgeschwindigkeit.
• Eine sehr hohe Kraftübersetzung bei den letzten Millimetern des Pressstempelwegs (genau an der Stelle, wo eine hohe Kraft benötigt wird).
• Beim Überstrecken des Kniehebels (über den Totpunkt) wird ein automatischer Verriegelungseffekt erreicht. Hierzu ist ein mechanischer Anschlag erforderlich. Selbst wenn die Betätigungskraft abfällt, bleibt die Spannkraft erhalten und kann sich nicht selbsttätig lösen.
  

Für die Bestimmung der Presskraft und als Toleranzausgleich können elastische Elemente (Federn) eingesetzt werden.

Erfindungen

→ Hauptartikel: Kniehebelpresse

Armbrustspanner mit Kniehebel im 16. Jahrhundert

Spannen durch drücken auf den Kniehebel

Die Erfindung des Kniehebels wird mit der Erfindung der Kniehebelpresse zum Zwecke der Münzprägung in Verbindung gebracht. Als deutscher Erfinder wird Diedrich Uhlhorn 1817 in Grevenbroich aufgeführt. Doch bereits zuvor wurden verschiedene Erfindungen getätigt, welche jedoch in Vergessenheit gerieten.

„Bemühungen englischer und französischer Mechaniker, die hydraulische Presse durch anderer ebenfalls geräuschlos (stumm) ohne Stoß wirkende Pressen zu ersetzen, sind ohne eigentlichen Erfolg geblieben, wohin namentlich Hallett's Presse mit excentrischen Scheiben und die Kniehebelpressen von Sudds, Barker, Atkin's und andere zu rechnen sind. Der Vortheil solcher Pressen, daß bei ihnen mit dem zunehmenden Widerstande der zu pressenden Körper auch die Preßkraft wächst, wird vollständig durch die größeren Reibungen und damit zusammenhängenden Abnutzungen gegenüber den hydraulischen Pressen aufgewogen, so daß sie als der Geschichte anheim gefallen betrachtet werden können.“

– Polytechnisches Journal (Zeitschriftenband 178.1865) Seite 261 /(277 digital) ^[1]

• Im Jahr 1811 hat in Petersburg der Russe I. Nevedomsky die Erfindung einer Kniehebelpresse vorgestellt. ^[2]
• Gehen wir in der Geschichte weiter zurück, so findet sich im 16. Jahrhundert, ein an der Armbrust angebauter Kniehebel als Spannhilfe für die Bogensehne des starken Metallbogens.
• Bereits im 15. Jahrhundert wurde von findigen Waffenschmieden der Goat's–Foot Lever („Ziegenfußhebel“) zum schnellen Spannen der Armbrust hergestellt. Dieser erste aufsetzbare Kniehebel bestand aus einer zweizinkigen Gabel mit einem Verlängerungsstiel. Im unteren Drittel war die Zugkralle für die Bogensehne gelagert.^[3] Mit dem Verlängerungsstiel wurde der „Ziegenfußhebel“, welcher am Armbrustschaft durch die Gabelzinken an einem Dorn gleitgelagert war, zum Schützen gezogen und die Zugkralle zog dadurch die Bogensehne bis zu der Verriegelungsnuss. Je weiter die Sehne gespannt wurde, desto kleiner wurde der untere (Gabel)-Hebel. Trotz zunehmender Bogenzugkraft wurde durch den Kniehebeleffekt die Kraft am Zughebel für den Schützen geringer. Eine weitere Ausführung war auf Druck ausgelegt.^[4]

Aufbau und Anwendungen

Der Aufbau ist mit dem eines menschlichen Kniegelenkes vergleichbar. Er bestehend aus drei Drehpunkten (ähnlich dem Hüftgelenk, mittig dem Kniegelenk und dem Sprunggelenk) sowie mindestens zwei Schenkeln, wovon ein Schenkel verlängert ist um die Hebelkräfte ausnutzen zu können. Zur Arretierung wird hierbei das Überschreiten des Totpunktes verwendet.

Zur Druckverstärkung wird er beispielsweise an Kniehebelpressen im Buchdruck und Obstpresse verwendet. Zur Hubbewegung findet er als Scherenwagenheber ein Anwendungsgebiet.

Im Spannbereich findet der Kniehebel eine weite Verbreitung. An den unterschiedlichsten Werkzeugen ist er zu finden.

• Beispielsweise an: Handblechschere, Feststellzange, Lochzangen uvm.
• Beschlägen an: Springformen, Kisten, Motorhaubenverkleidungen, LKW–Bordwänden,^[5]
• Schließen an: Ski–- und Inlinerschuhen, sowie an Armbanduhrbändern und nicht zu vergessen der Bügelverschluss an Getränkeflaschen.

• Auf Druck – (Pressen)
• 

  Kniehebelpresse, Spannung von drei Seiten

• 

  Wagenheber zweifache Kniehebel

• 

  Hebelblechschere

• 

  Rohrschneider

• 

  Handblechschere

• 

  Einarmiger Storz Wagenheber

• 

  Feststellzange

• 

  6–armiger Polypgreifer

• Auf Zug – (Kniehebelspanner)
• 

  Skischuh mit Kniehebelspannern (in Blau und Grün)

• 

  Kistenverschluss

• 

  Bügelverschluss an einer Bierflasche

• 

  Springformverschluss

• 

  Faltschliesse an Armbanduhren

• 

  Der Fliehkraftregler mit zweiseitigem Kniehebel ist bereits seit 1788 im Maschinenbau zu finden.

• Arbeitsmaschinen – (Kran etc.)
• 

  Portalwippkran

• 

  Terex/Fuchs Bagger mit Seilzugantrieb

• 

  Hydraulischer Antrieb

• 

  Mehrere Kniehebel zur Bewegung

• 

  Pleuel und Kurbelwelle erzeugen Zug- und Druckkräfte

Siehe auch

• Bügelverschluss
• Camalot
• Crimpen
• Hebelpresse
• Hebelvornschneider
• Kniehebelpresse

Weblinks

• Mayers Großes Konversations-Lexikon bei Zeno.org.
• Brokhaus Kleines Konversations-Lexikon
• Kniehebelspanner als Berechnungsbeispiel-PDF
• Lehrerfreund.de, Kniehebel: Kräfte und Totpunkt

Literatur

• Karlheinz Roth: Konstruieren mit Konstruktionskatalogen: Band 2, Konstruktionskataloge, ISBN 978-3-540-67026-1 ^[6]

Einzelnachweise

1. ↑ Beitrag zur Geschichte der Oelmühlen; von Prof. Rühlmann. Seite 261 (digitalisiert: 277) Erfinder: Sudds, Barker und Atkins Kniehebelpresse bei:Technologie der Fette und Öle. Handbuch der Gewinnung und Verarbeitung der Fette, Öle und Wachsarten des Pflanzen- und Tierreichs, Band 1, Seite 247.
2. ↑ F. A. Brockhaus in Leipzig, Berlin und Wien, 14. Auflage, 1894-1896 Erfinder war laut Brockhaus der Russe I. Nevedomsky, 1811 in Petersburg zur Münzprägung
3. ↑ Fig. 43 (Bild des Spannvorganges) The Crossbow Chapter XVII, The Mechanism of the Goat's-Foot Lever und Fig. 44. (Detail-Bild) - The Mechanism of the Goat's–Foot Lever. Half Full Size. Aus: Ralph Payne Gal, Sir Ralph Payne Gallwey, Crossbow ISBN 1843428334, Naval and Military Press, (2009)
4. ↑ Fig. 106 (Bild, Schieben der Bogensehne) Ein hölzerner Ziegenfußhebel spannt durch drücken auf die Bogensehne. (The Crossbow, Seite 167)
5. ↑ Federbelastete Aufbaubeschläge an Bordwänden (PDF)
6. ↑ Google Books: Sammlung von Konstruktionskatalogen, Kapitel 11, S 97 ff.