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4. Übertragungselemente – Wellen, Kupplungen, Rohrleitungen. Als Übertragungselemente bezeichnet man solche Bauelemente, die den mechanischen Energiefluss (mechanische Leistung) weiterleiten, umleiten und ein- und ausschalten können. Dabei bleibt die Energieart erhalten. .

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4. Übertragungselemente – Wellen, Kupplungen, Rohrleitungen

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

Verlustleistung Q

Welle

Kupplung

(Rotationsleistung 2)

(Rotationsleistung 1)

Verlustleistung Q

Rohr

(Strömungsenergie 2)

(Strömungsleistung 1)

WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein

Maschinentechnik – 4. Übertragungselemente

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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:

Vollwellen

Wellen eines Kfz - Getriebes

Läuferwelle eines Elektromotors

Überträgt die Leistung für unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse

Überträgt die Leistung aus dem Motor heraus

Hohlwellen

Überträgt die Leistung auf das Futter und damit auf das Werkstück

Arbeitsspindel einer Drehmaschine

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Kurbelwellen

Kurbelwelle eines Vierzylinder – Viertakt - Ottomotor

Wandelt die Bewegung der Kolben in Rotation um und überträgt die Leistung aus dem Motor heraus

Profilwellen sichern die Übertragung großer Drehmomente durch Formschluss.

Profilwellen

Gelenkwellen ermöglichen, Dreh-momente von nicht fluchtenden Wellen zu übertragen

Gelenkwellen

Biegsame Wellen übertragen Drehmomente abstands- und richtungsunabhängig.

Biegsame Wellen

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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:

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n

n

nH

t

tr

t

Die Berechnung der Kupplungen erfolgt nach dem zu übertragenden Nenndrehmoment unter Berücksichtigung eines Stoßfaktors k:

MNenn: Nenndrehmoment in Nm

M: Auslösedrehmoment in Nm

n: 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

Drehzahl des Antriebs vor dem Schalten

Drehzahl des Antriebes vor dem Schalten

Drehzahlabfall des Antriebes beim Eingreifen

Drehzahlabfall des Antriebes beim Rutschen

nN

Nenndrehzahl

nN

Nenndrehzahl

Beschleunigung beider Teile

Beschleunigung beider Teile

Drehzahl des Abtriebes vor dem Schalten

Drehzahl des Abtriebes vor dem Schalten

Drehzahlanstieg des Abtriebes beim Eingreifen

Drehzahlanstieg des Abtriebes beim Rutschen

stoßartige Beschleunigung

ruckartige Verzögerung

während tR rutschen die Reibflächen

bei nH geht R in H über, Kuppl. greift

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Schaltbedingungen für Kupplungen

formschlüssige Kupplung:

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.

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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Die Antriebsgröße Druck p in Nm-2 verursacht den Volumenstrom in m3s-1 mit dem Durchschnittswert der Strömungsgeschwindigkeit ist in ms-1.

4.3 Rohrleitungen

Rohrleitungen sind Übertragungselemente für flüssige und gasförmige Energie übertragende Medien, die gleichzeitig die Stütz- und Führungsfunktion für diese Medien mit beinhalten.

p1

p2

A

Mechanismus der Energieübertragung:

A : Querschnitt der Rohrleitung

Die Strömung verursacht infolge der Reibung in der Rohrleitung einen Druckabfall p.

Vergleiche die Analogie zur elektrischen Strömung (Spannungsabfall)

in Nms-1, W

Die Übertragungsleistung P der Rohrleitung ist

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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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v

v

Verhalten des strömenden Mediums:

Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit :

Sie ist ein oft benutzter Rechenwert. Die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit weicht davon ab.

Es werden zwei Strömungsarten unterschieden:

Turbulente Strömung (Wirbelströmung)

Laminare Strömung (Schichtströmung)

Die ständige Durchwirbelung ergibt ein gleich hohes Geschwindigkeitsprofil mit steilem Anstieg im Grenzschichtbereich. Der Druckverlust ist dadurch abhängig vom Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit.

Die Stromfäden laufen parallel zuein-ander. Es ergibt sich ein parabolisches Geschwindigkeitsprofil. Der Druckverlust durch Reibung hv ist der mittleren Strömungsgeschwindigkeit proportional .

Welche Strömungsart vorliegt, ist aus der REYNOLD’s-Zahl erkennbar:

Kritische REYNOLD’s-Zahl:

Re  2300 : laminare Strömung

Re  2300 : turbulente Strömung

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Steuerung des Volumenstroms

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.

1. Absperr- und Rückschlagventil

3. Hähne

2. Absperrschieber

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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)

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)

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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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