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WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – HeinMaschinentechnik – 4. Übertragungselemente
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4. Übertragungselemente – Wellen, Kupplungen, Rohrleitungen
(Rotationsleistung 1)
Verlustleistung Q
Als Übertragungselemente bezeichnet man solche Bauelemente, die den mechanischen Energiefluss (mechanische Leistung) weiterleiten, umleiten und ein- und ausschalten können.
Dabei bleibt die Energieart erhalten.
Bei der mechanischen Energie betrifft dies die Parameter :
•Drehzahl und Drehmoment, Ein und Aus sowie Übertragungsrichtung aber auch
•Druck und Volumenstrom
(Rotationsleistung 2)
Welle
Kupplung
(Strömungsleistung 1)
Verlustleistung Q
(Strömungsenergie 2)
Rohr
111 2 nMP 222 2 nMP
111 VpP 122 VpP
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4.1 Wellen
Im Gegensatz zu Achsen sind Wellen ausschließlich umlaufend. Sie übertragen stets ein Drehmoment und sind meist noch zusätzlich auf Biegung beansprucht.Die Biegung tritt hier, wie bei umlaufenden Achsen, auf. Wellen werden also auf Biegung, Umlauf-biegung und Torsion beansprucht.
Wellenarten:
Hohlwellen
Läuferwelle eines Elektromotors Wellen eines Kfz - Getriebes
Vollwellen
Arbeitsspindel einer Drehmaschine
Überträgt die Leistung aus dem Motor herausÜberträgt die Leistung für unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse
Überträgt die Leistung auf das Futter und damit auf das Werkstück
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Kurbelwellen Kurbelwelle eines Vierzylinder – Viertakt - Ottomotor
Profilwellen
Gelenkwellen
Biegsame Wellen
Profilwellen sichern die Übertragung großer Drehmomente durch Formschluss.
Gelenkwellen ermöglichen, Dreh-momente von nicht fluchtenden Wellen zu übertragen
Biegsame Wellen übertragen Drehmomente abstands- und richtungsunabhängig.
Wandelt die Bewegung der Kolben in Rotation um und überträgt die Leistung aus dem Motor heraus
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4.2 Kupplungen
Kupplungen dienen zum Übertragen von Drehmomenten zwischen Wellenenden. Sie werden in der Regel als lösbare Wellen-Verbindungen hergestellt, um Baugruppen leichter montieren und warten zu können. Außerdem können sie für zusätzliche Nebenfunktionen konstruiert sein. Die Vielzahl von Ausführungsformen lässt sich unter funktionalen Gesichtspunkten in 4 Gruppen einteilen:
Hauptfunktion Nebenfunktion Art Wirkprinzip Beispiele
Übertragung von Drehmomenten zwischen zwei Wellenenden
lösbare Verbindung zwischen den Wellen
ohne
Ausgleich von:-Längsabweichung-Querabweichungen-Winkelabweichung der Wellenenden
Ausgleich von:-Drehmomentstößen
-Unterbrechen des Kraftflusses
starre Kupplung
bewegliche Kupplung
drehelastische Kupplungen
schaltbare Kupplungen
Formschluss
Formschluss
Formschluss
Kraftschlussoder Formschluss
Stiftkupplung
KlauenkupplungKreuzscheiben-K.Kreuzgelenk-K.
elast.Klauen-K.elast. Bolzen-K.
Einscheiben-K.Lamellen-K.Klauen-K.
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Die Berechnung der Kupplungen erfolgt nach dem zu übertragenden Nenndrehmoment unter Berücksichtigung eines Stoßfaktors k:
n
PM Nenn 9550
NennMkM
MNenn: Nenndrehmoment in NmM: Auslösedrehmoment in Nmn: Drehzahl in min-1
P: Leistung in kW
Aus diesem Moment ergeben sich die wirkenden Umfangskräfte, die bei kraftschlüssigen Kupplungen durch die Reibungskräfte und bei formschlüssigen Kupplungen durch die Scherkräfte übertragen werden müssen.
Verhalten der Kupplung während des Schaltvorgangs:
formschlüssige Kupplung kraftschlüssige Kupplung
stoßartige Beschleunigungruckartige Verzögerung
t
n n
t
Drehzahl des Antriebes vor dem Schalten
Drehzahlabfall des Antriebes beim Eingreifen
Drehzahl des Abtriebes vor dem Schalten
Drehzahlanstieg des Abtriebes beim Eingreifen
Beschleunigung beider Teile
Nenndrehzahl
Drehzahl des Antriebs vor dem Schalten
Drehzahl des Abtriebes vor dem Schalten
Drehzahlabfall des Antriebes beim Rutschen
Drehzahlanstieg des Abtriebes beim Rutschen
Beschleunigung beider Teile
Nenndrehzahl
tr
während tR rutschen die Reibflächenbei nH geht R in H über, Kuppl. greift
nNnN
nH
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Schaltbedingungen für Kupplungen
Um große Massenkräfte zu vermeiden, muss beim Kupplungsvorgang n = n1 n2 gegen 0 gehen. D.h. die Kupplung ist im Stillstand (Auslauf) oder Gleichlauf zu schalten.
beliebig schaltbar , aber die Erwärmung, verursacht durch die Reibungsarbeit WR, darf nicht zu groß werden, d.h. tR muss minimal sein.
formschlüssige Kupplung:
kraftschlüssige Kupplung:
Betätigungsarten von Kupplungen
fremd geschaltet: 1. mechanische Betätigung ( Hebel / Gestänge, Bowdenzug ) 2. hydraulische Betätigung 3. pneumatische Betätigung 4. elektromagn. Betätigung
selbst schaltend: Schalten in Abhängigkeit einer Betriebsgröße: 1. Drehmoment: Sicherheitskupplung 2. Drehzahl: Anlaufkupplung (Fliehkraftkupplung) 3. Drehrichtung: Überholkupplung (Freilauf)
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4.3 Rohrleitungen
Rohrleitungen sind Übertragungselemente für flüssige und gasförmige Energie übertragende Medien, die gleichzeitig die Stütz- und Führungsfunktion für diese Medien mit beinhalten.
p
21 ppp
A : Querschnitt der Rohrleitung
Die Übertragungsleistung P der Rohrleitung ist AvpVpP in Nms-1, W
Die Strömung verursacht infolge der Reibung in der Rohrleitung einen Druckabfall p.
A
p1 p2v
Vergleiche die Analogie zur elektrischen Strömung (Spannungsabfall)
Mechanismus der Energieübertragung:
Die Antriebsgröße Druck p in Nm-2 verursacht den Volumenstrom in m3s-1 mit dem Durchschnittswert der Strömungsgeschwindigkeit ist in ms-1.v
V
V v A
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Die Werkstoffanforderungen an das Rohrmaterial ergeben sich aus dem Druck der Temperatur der Aggressivität des Mediums der geforderten Beweglichkeit des Rohres
Werkstoffe für starre Rohre : GG, St, Cu, Pb, Beton ( armiert ), Steingut, Hartporzellan, Hartglas
biegbare Rohre: Pb, Kunststoff (PE )
bewegliche Rohre: Schläuche aus Metall (Wellrohre), Gummi, weiche Kunststoffe
Gesichtspunkte für die Verlegung von Rohrleitungen:
•möglichst geradlinig ; •Abstützungen in Bögen erforderlich ( Trägheitskräfte des strömenden Mediums ); •Längenausgleichsmöglichkeiten ( zB. Bögen ) bei Heißwasser- und Dampfleitungen •im Boden frostfrei und in Sand •über größere Entfernungen geneigt ( 1 : 1000 ) mit Be- und Entlüftungsstellen und Entleerungsstellen
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Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit : vV
A
Sie ist ein oft benutzter Rechenwert. Die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit weicht davon ab.
Verhalten des strömenden Mediums:
h vv 2h vv
Laminare Strömung (Schichtströmung)
Die Stromfäden laufen parallel zuein-ander. Es ergibt sich ein parabolisches Geschwindigkeitsprofil. Der Druckverlust durch Reibung hv ist der mittleren Strömungsgeschwindigkeit proportional .
Turbulente Strömung (Wirbelströmung)
Die ständige Durchwirbelung ergibt ein gleich hohes Geschwindigkeitsprofil mit steilem Anstieg im Grenzschichtbereich. Der Druckverlust ist dadurch abhängig vom Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit.
Es werden zwei Strömungsarten unterschieden:
v v
Welche Strömungsart vorliegt, ist aus der REYNOLD’s-Zahl erkennbar:
KanälenbeirDurchmesseigergleichwerthhydrauliscU
Ad
esserRohrdurchmd
MediumsdesZähigkeithekinematisc
dv
h
4
Re
Kritische REYNOLD’s-Zahl:Re 2300 : laminare Strömung Re 2300 : turbulente Strömung
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Zur Steuerung bzw. Absperrung des Volumenstromes werden verschiedene Bauarten von Absperreinrichtungen benutzt. Die Unterscheidung der einzelnen Arten erfolgt nach der relativen Bewegung des Sperrkörpers zur Strömungsrichtung des Mediums am Dichtsitz.
Steuerung des Volumenstroms
1. Absperr- und Rückschlagventil
2. Absperrschieber3. Hähne
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13. Die Verbindung zweier Wellenenden soll durch eine elastische Bolzenkupplung erfolgen. Es ist eine Leistung von 40 kW bei einer Drehzahl von 960 min-1 zu übertragen und der Stoßfaktor k = 1,5 zu berücksichtigen. Berechnen Sie das zu übertragende Drehmoment! Der Lochkreisdurchmesser der Bolzen beträgt dK = 180 mm, der Bolzen- und Gummipufferinnendurchmesses d beträgt 14 mm, die Anzahl der Bolzen ist z = 10, die Gummipufferlänge ist l = 13 mm (Kupplungsflanschdicke l3 = 25 mm plus Kupplungshälftenabstand e1 = 5 mm) Berechnen Sie die Flächenpressung zwischen dem Kupplungsbolzen und dem Gummipuffer! (p=1,5 nmm-2)
Aufgaben 11 - 13
11. Zum Verbinden der Welle eines Elektromotors mit der eines Schweißgenerators wird eine starre Kupplung gewählt. Die Leistung des E – Motors beträgt 8 kW, die Drehzahl 960 min-1 und der Stoßfaktor ist 2. Berechnen Sie das erforderliche Drehmoment der Kupplung. (Mt: 159 Nm)
12. Mit Hilfe einer Klauenkupplung soll ein maximales Drehmoment von 40 Nm übertragen werden. Berechnen Sie die Flächenpressung zwischen den drei Klauen, wenn lN = 10 mm, dm = 40 mm und bN = 10 mm sind! (p=6,67 Nmm-2)
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Hülse geschnitten dargestellt
Einbringen der Bohrungen in die Hülse
Einfügen der Wellenenden
Einbringen der Bohrungen in die Wellenenden
Einsetzen der Stifte
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