Kupplungen und Bremsen

KONSTRUKTION 1 Kupplungen, Bremsen

Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer

Inhaltsverzeichnis • • • • • • • • •

Funktion Aufgaben von Kupplungen Kupplungsarten Bremsen Berechnung von Kupplungen Ausw Auswa ahlkr hlkriiter terien ien von von Kup Kupplun lungen Gest Gestal altu tung ngsr sric icht htlilini nien en von von Kupp Kupplu lung ngen en Ausblick auf K2 Norm Normen en und und weit weiter erfü führ hren ende de Lite Litera ratu tur r


Funktion

Funktion Kupplungen und Bremsen: • Kraf Kraftt (F (F1) • Mome Moment nt (M1)

• • • • •

Ständige oder zeitweise drehfeste Verbindung von Wellen, Rädern oder anderen Antriebselementen, dabei ggf. Kräfte Kräfte und und Mom Moment ente e leit leiten en Welle Wellenve nversa rsatz tz ausgl ausgleic eichen hen Trennen Trennen und Verbinde Verbinden, n, d.h. Schalten Schalten Dämp Dämpfu fung ng von von Dreh Drehmo mome ment nt-- und und Geschwindigkeitsschwankungen Schall Schall-- und / oder oder elektr elektrisc ische he Isolie Isolierun rung g

• Kraf Kraftt (F2) • Mom Moment ent (M2)


Produktbeispiel Produktbeisp iel Motorrad Klauengeschaltetes Sechsgang-Getriebe

Bremse vorne: Doppelscheibenbremse, schwimmend gelagerte Bremsscheiben, Bremsscheiben, Ø320 mm, 4-Kolben-Festsattel Bremse hinten: Einscheibenbremse, Ø265 mm, 2-Kolben Schwimmsattel

Kupplung des BMW Motors F800S

86 Nm bei 5.800/min Mehrscheibenkupplung im Ölbad, mechanisch betätigt Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer

6 1 2 0 7 0 S 0 0 8 F W M B r e d b e i r t n A r e D : e l l e u Q

Produktbeispiel Produktbeisp iel Motorrad Aufbau einer Kupplung

„Schwimmende“, d.h. axial verschiebbare Lagerung (Keilwelle) der Reibscheibe ω

Axial-Lager für die Betätigung der Kupplung Verzahnung für Anlasser

m t h . g n u l p p u k s g n u b i e R / e d . h c e t z f k . w w w : e l l e u Q

Bremsen einer Honda 2000 CBR929RR Bremsen können als Kupplungen mit stillstehendem Abtrieb betrachtet werden! Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer

G P J . 2 4 r 9 2 9 / 0 0 0 2 c m / A D N O H / m o c . k r o w t e n s t r o p s r o t o m . w w w : e l l e u Q

Aufgaben von Kupplungen (1)

Drehfeste Verbindung von Wellen Ausgleich von axialen Wegdifferenzen radialen Wegdifferenzen Winkeldifferenzen Weg- und Winkeldifferenzen

Drehzahldifferenzen

n1>n2


Aufgaben von Kupplungen (2)

Reduzierung von Stößen

Dämpfung von Schwingungen

Filterung hochfrequenter Schwingungen

Verändern der Eigenfrequenz

ω0 =

cϕ

Θ

Schalten von Drehmomenten vor Schaltung

nach Schaltung


Kupplungen Übersicht

Kupplungen

Nichtschaltbar

Nicht ausgleichend

Schaltbar

ausgleichend

drehstarr

drehstarr

drehnachgiebig

drehnachgiebig

fremdbetätigt

selbstbetätigt

• mech mechan anis isch ch • elektr elektrom omagn agneti etisch sch • hydr hydrau aulilisc sch h • pneu pneuma matitisc sch h

drehzahlbetätigt

richtungsbetätigt

momentenbetätigt


Drehstarre nicht ausgleichende Kupplungen: Flanschkupplung

Starre Kupplungen (allgemein) • • • • •

Feste Kupplung

sind sind gena genau u zen zentr tris isch ch verb verbun unde den n habe haben n kein keine e Nach Nachgi gieb ebig igke keititen en sind sind vers versch chle leiß iß-- und und wa wartun rtungs gsa arm beid beide e Dre Drehr hric icht htun unge gen n sin sind d ver verwe wend ndba bar r eine eine Vers Versch chie iebu bung ng führ führtt zu zu hoh hoher er Zusatzbelastung

• Für Demontage axiales Verschieben notwendig • für hochbeanspruchte Wellen (Stöße, wechselnde Belastung, große Einzelkräfte)

Drehstarre Kupplungen nur verwenden, wenn Wellen fluchten. Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer

Drehstarre nicht ausgleichende Kupplungen: Flanschkupplungen

Hirth-Verzahnung

aufwendige Herstellung platzplatz- und gewichtspa gewichtsparend rend selbstzentrierend Aufnahme großer Drehmomente möglich • verschleißfest • • • •


Drehnachgiebige nicht ausgleichende Kupplungen: Magnetpulverkupplung

Magnetpulverkupplung • • • • •

stuf stufen enlo lose se Ver Verän ände deru rung ng des des Dre Drehm hmom omen ente tess ger geräusc äuschl hlos ose e Bet Betä ätig tigung ung Dreh Drehmo mome ment nt prop propor ortition onal al zum zum Erre Errege gers rstr trom om für für Dau Dauer ersc schl hlup upff ge geeign eignet et Anwe Anwend ndun ung: g: Dreh Drehmo mome ment ntre rege gelu lung ng,, begrenzung, sanfte Anfahrkupplung

Magnetkreis Außenrotor Erregerspule Magnetpulver

• magnetisiertes Pulver durch Bestr Bestromu omung ng der • durch Spule Ausrichten der Pulverkörner zu einer Kette • Steifigkeit der Kette variiert mit magnetischem Feld • mehr oder minder starke Haftung zwischen den Rotoren es entsteht ein Übertragungsmoment

Innenrotor



Kupplungen

Nichtschaltbar

Nicht ausgleichend

Schaltbar

ausgleichend

drehstarr

drehstarr

drehnachgiebig

drehnachgiebig

fremdbetätigt

selbstbetätigt


drehzahlbetätigt

richtungsbetätigt

momentenbetätigt Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer

Drehstarre ausgleichende Kupplungen: Klauenkupplung

Drehstarre Ausgleichskup Ausgleichskupplungen plungen können • axia axiale le,, • radi radial ale e ode oder r • winklige winklige Wellenverl Wellenverlageru agerungen ngen ausgleichen ausgleichen und werden eingesetzt, wenn eine winkeltreue Übertragung gefordert ist. a)

Klauenkupplung

b)

Je nach spezieller konstruktiver Ausführung gleicht die Klauenkupplung kupplung Axialversat Axialversatzz aus aus und dämpft dämpft rotator rotatorischen ischen Bewegungen Bewegungen,, speziell stoßartiger Belastungen und Schwingungen.

Ursach Urs achen en für We Welle llenve nverla rlager gerung ungen en • Ausric Ausrichtht- / Montag Montageun eungen genaui auigke gkeite iten n • Wärmedehn Wärmedehnungen ungen und Fundame Fundamentver ntversatz satz • elasti elastisch sche e Verfor Verformun mungen gen Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer

Drehstarre ausgleichende Kupplungen: Klauenkupplung

www.wikipedia.org/wiki


Drehstarre ausgleichende Kupplungen: Kreuzg Kre uzgele elenk nk - Kar Karda dan n Das Kreuzgelenk gestattet Beugewinkel bis 40°.

Kardanfehler, keine gleichmäßige Winkelgeschwindigkeit von ω1  ω2

Nur zum Gebrauch in der Lehrveranstaltung


f i g . n a d r a K _ n g i s e D _ m s i n a h c e M _ o r P / s u o i r a V / r i D / t l u a f e d /_ s e r p /_ z c . c i . a r l a . w w w : e l l e u Q

Drehstarre ausgleichende Kupplungen: Karda Kar dan n - Kre Kreuzg uzgele elenk nk 1 Flansch 2 Zapfenkreuz 3 Zapfenmitnehmer 4 Verbindungsrohr

Bei der Kardanwelle wird über ein zweites Kreuzgelenk diese Pulsat Pulsation ion rückgä rückgängi ngig g gemacht.

Drehzahl begrenzt durch Zwischenwelle ( Laufruhe, Biegeschwingungen) Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer

Anwendung einer Kardanwelle im PKW

Getriebe Getriebeausgang Kreuzgelenk der Kardanwelle Hinterradantrieb mit Differential Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer

Drehstarre ausgleichende Kupplungen: homokinetische Gelenk

Gleichlaufgelenke • Gleich Gleichlau laufge fgelen lenke ke sind sind hom homoki okinet netisc isch h (gle (gleich ichför förmi mig), g), • Gleich Gleichför förmi mige ge Übertr Übertragu agung ng des Drehm Drehmome omente ntess bei winklig winklig zuein zueinand ander er stehenden Wellen, auch bei größeren Beugungswinkeln • baue bauen n bei bei Ablen Ablenkw kwin inke keln ln bis bis zu zu 48° 48° sehr sehr kur kurz, z, • teur teurer er und und sch schwe were rerr als als Kre Kreuz uzge gele lenk nk


Drehstarre ausgleichende Kupplungen: Lamellenkupplung

Lamellenkupplung • • • • •

war wartung tungss-,, ver verschl schle eißiß- und und spie spiela larrm emp empfind findlilich ch gege gegen n Stöß Stöße e Biegenachgiebig wech wechse sels lsei eiti tig g versc ersch hrau raubt Ausgle Ausgleich ich von axialen axialen und winkli winkligen gen Wellen Wellenver versat satzz e g a l f u A . 6 1 k e t a M / f f o l o R ; G A r e d n e l F . a F : e l l e u Q


Drehstarre ausgleichende Kupplungen: Bogenzahnkupplung

Bogenzahnkupplung • • • •

bogenförmig und ballig axial verschiebbar allseitig winkelbeweglich müssen geschmiert werden, wenn St/St-Materialpaarung e g a l f u A . 6 1 k e t a M / f f o l o R ; G A r e d n e l F . a F : e l l e u Q


Kupplungen Übersicht Kupplungen

Nichtschaltbar

Nicht ausgleichend

ausgleichend

drehstarr

drehstarr

drehnachgiebig

drehnachgiebig

Schaltbar

fremdbetätigt

selbstbetätigt

drehzahlbetätigt


richtungsbetätigt

momentenbetätigt Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer

Drehnachgiebige ausgleichende Kupplungen

Metallelastische Kupplungen Die Bauarten unterscheiden sich im wesentlichen durch die Verwendung unterschiedlicher Federarten bei unterschiedlicher Dämpfung.

Schlangenfederkupplung • Drehmomentübertragung durch schlangenförmig gewundene Stahlfedern • wechselseitig in Nuten der Kupplungsscheibe eingelegt e g a l f u A . 6 1 k e t a M / f f o l o R : e l l e u Q



Elastomerkupplungen Elastomerkup plungen mittlerer Elastizität • • • • •

zylindr zylindrisch ische, e, ballig ballige e auf Biegu Biegung ng oder oder Druck Druck bean beanspr spruch uchte te Eleme Elemente nte Verdrehwinkel bis 5° als als Bolze Bolzenk nkup uppl plun unge gen n oder oder Kla Klaue uenk nkup uppl plun unge gen n für ei einfache An Antrieb iebe Ausgle Ausgleich ich von Anfahr Anfahrstö stößen ßen und Wellen Wellenver verlag lageru erung ng

Elastische Bo Bolzenkupplung Elastomer auf Bolzen beweglich gelagert

feste Bolzen

Klauenkupplung • •

wartungsfrei durchschlagsicher

Elastomere greifen formschlüssig in Aussparungen der Naben

Bolzen mit Flansch verbunden

lösbare Bolzen Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer


Elastomerkupplungen Elastomerkupp lungen hoher Elastizität • Verdre Verdrehwi hwinke nkell von von 5 bis bis 30° • Meist großes großes Gummi Gummivolum volumen en mit mit hoher hoher Dämpf Dämpfung ung

Wulstkupplungen Elastomer

Zwischenringkupplung

Scheibenkupplung

Einfache Montage

einvulkanisierte Stahlblechhülse

aufvulkanisiertes Gummielement

• wechselseitig verschraubt • radial vorgespannt keine Zugbeanspruchung Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer


Kupplungen

Nichtschaltbar

Nicht ausgleichend

Schaltbar

ausgleichend

drehstarr

drehstarr

drehnachgiebig

drehnachgiebig

fremdbetätigt

selbstbetätigt


drehzahlbetätigt

richtungsbetätigt

momentenbetätigt


Fremdbetätigte Kupplungen: Mechanisch betätigte Einscheibenkupplung

Schaltbare Kupplungen • betr betrie iebl blic iche he Unt Unter erbr brec echu hung ng und und Wiederherstellung der Verbindung zwischen Antriebselementen Kupplungsbelag

Pkw-Kupplungsscheibe mit Torsionsdämpfer

Federn für Drehnachgiebigkeit Nabe

Mitnehmerscheibe Trägerscheibe für Belege (s.a. S. 5) Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer

s h c a S : e l l e u Q

Fremdbetätigte Kupplungen: Mechanisch betätigte Lamellenkupplung Lamellenkupplung mehrere Reibscheiben erhöhen das übertragbare Moment

Drehmomentbegrenzung und Verschleißnachstellung mehrere Schalthebel auf dem Umfang verteilt

Schaltmuffe Reibscheiben abwechseln außenaußen- und innenverza innenverzahnt, hnt, Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer

s u a h g n i l t r O . a F : e l l e u Q

Fremdbetätigte Kupplungen: Elektromagnetisch betätigte Lamellenkupplung

Elektromagnetische Elektromagnet ische Lamellenkupp Lamellenkupplung lung • arbei arbeitsb tsbetä etätig tigtt (Magnet (Magnet schli schließ eßtt Reibsch Reibscheib eiben) en) oder oder ruhebe ruhebetät tätigt igt (Magne (Magnett öffnet öffnet Reibscheiben) • kleine kleiness Bauvo Bauvolum lumen en,, gut gut für für Autom Automati atisie sieru rung ng geei geeigne gnett • aller allerdin dings gs auch auch Magne Magnetis tisier ierung ung der Umgeb Umgebung ung • Elektrom Elektromanet anetische ische Kupplung Kupplungen: en: gute Steuerun Steuerungsmö gsmöglich glichkeit keit,, einfache einfache Energiez Energiezufuh ufuhr r

Elektromagnet

Lamellen mit Formschluss innen (Innenverzahnung)

Lamellen mit Formschluss außen (Außenverzahnung) Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer


Fremdbetätigte Kupplungen: hydraulisch betätigt

Hydraulisch betätigte Lamellenkup Lamellenkupplung plung • • • •

geringe Abmessungen steuerbar selb selbst sttä tätig tige e Vers Versch chle leiß ißna nach chst stel ellun lung g geeign geeignet et für hohe hohe Dreh Drehzah zahlen len und Schalt Schalthäu häufig figkei keiten ten

Hydraulische Kupplung Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer


Fremdbetätigte Kupplungen: pneumatisch betätigt

Pneumatisch betätigte Scheibenkupplun Scheibenkupplung g • bei kurzen kurzen Schalt Schaltzei zeiten ten oder oder hohen hohen Massen Massenbes beschl chleun eunigu igunge ngen n (z.B. Pressen, Scheren) • eher la langbauend Innenbelüftete Kupplungsscheiben

p s u a h g n i l t r O . a F : e l l e u Q

Pneumatische Kupplung Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer


Kupplungen

Nichtschaltbar

Nicht ausgleichend

Schaltbar

ausgleichend

drehstarr

drehstarr

drehnachgiebig

drehnachgiebig

fremdbetätigt

selbstbetätigt


drehzahlbetätigt

richtungsbetätigt

momentenbetätigt


Selbstbetätigte Kupplungen: drehzahlbetätigt

Fliehkraftkupplungen Momentübertragung durch Kraftschluss, ab ca. 700 min -1

fliehkraftabhängige Massen

Füllgutkupplung

Momentübertragung durc durch h Reib Reib-- und und Formschluss Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer

) l e i p s n e l r h E h c a n ( e g a l f u A . 4 1 l e b b u D ; s u a h g n i l t r O . a F : e l l e u Q

Kraft-/Mo Kraft -/Momen mentenfl tenfluss uss Flie Fliehkra hkraftkup ftkupplun plung g

Fr Fliehkraft = FN

Fr Fliehkraft A

Ft

Ft = Reibkraft FR

F =F ⋅μ R

M

M

ω

Momentenfluss Schnitt A-A

A Fr


N

Selbstbetätigte Kupplungen: momentbetätigt

Rutschkupplung • Mt wird durch Vorspannkraft (Normalkraft) begrenzt • bei Mt > Mt.krit wird nicht mehr das vollständige Moment übertragen


F =F ⋅μ R

N


Selbstbetätigte Kupplungen: richtungsbetätigt

Freilauf kann folgende Funktionen übernehmen: • Rücklaufsperre (für Förderbänder, Pumpen,) • Überholkupplung (für Mehrmotorenantriebe) • Schr Schrititts tsch chal altf tfre reililau auff (für (für Kurz Kurzho hobe belm lmas asch chin ine, e, Vors Vorsch chub ubei einr nric icht htun ung, g, Schaltwerkgetriebe) • Schaltvorg Schaltvorgang ang abhängig abhängig von der Richtung Richtung der relativ relativen en Drehbewegu Drehbewegung: ng: in einer Richtung wird diese verhindert (Sperrzustand), in der anderen Richtung nicht (Freilaufzustand)

Klemmrollenfreilauf mit Innenstern und Einzelanfederung


Klinkenfreiläufe Klinkenfreilä ufe (Sperrräder)

Klemmfreiläufe

• nehm nehmen en in eine einerr Dre Drehr hric icht htun ung g den den Antrieb formschlüssig mit • Klappergeräusche • nur nur für für lang langsa same me Ant Antri rieb ebe e geei geeign gnet et

• größ größer eren en Schal Schaltg tges esch chwi wind ndigk igkei eite ten n und und kleineren Abmessungen • in jede jederr Stel Stellu lung ng gerä geräus usch chlo loss

Leerlauf

Drehmomentübertragung

Drehmomentübertragung Drehmomentübertragung

Leerlauf Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer

Leerlauf

e g a l f u A . 6 1 k e t a M / f f f o l o R ; I I e t n e m e l e n e n i h c s a M , d l o G t p i r k S : e l l e u Q

Reibungsbremsen

Prinzipieller Aufbau

Prinzipielle Aufgaben • • • •

Verz Verzög öger erun ung g bewe bewegt gter er Mass Massen en Erzeug Erzeugung ung eines eines Gegenm Gegenmome omente ntess für Antriebs Antriebsagg aggreg regate ate (Leist (Leistung ungsbr sbrem emse) se) Fest Festha haltlten en eine einerr Last Last (Hal (Halte tebr brem emse se)) Im Gegen Gegensat satzz zur Kupplu Kupplung ng erfol erfolgt gt die Drehm Drehmom oment entübe übertr rtragu agung ng zwisch zwischen en einem beweglichen und einem fest mit dem Gehäuse verbundenen Bauteil. Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer

3 0 0 2 , . l f u A . 6 1 , e t n e m e l e n e n i h c s a M : k e t a M / f f o l o R

Außenbackenbremse

Außenbackenbremse Außenbacke nbremse nach DIN 15435


n e s m e r B r e z n e b u B . a F ; 4 0 0 2 / 2 0 0 2 , . l f u A . 5 1 , e t n e m e l e n e n i h c s a M : s u b a K / r e k c e D : e l l e u Q

Scheibenbremse

Komponenten einer Scheibenbremse • besse besserr geei geeign gnet et für für hohe hohe Dreh Drehza zahl hlen en (weniger Massenträgheit, weniger Platz) • besse ssere Wä Wärmeabfuhr 4 0 0 2 / 2 0 0 2 , . l f u A . 5 1 , e t n e m e l e n e n i h c s a M : s u b a K / r e k c e D : e l l e u Q

Feste Verbindung mit Fahrzeug über Radlagergehäuse Rotierende Bremsscheibe, verbunden mit Radnabe, angetrieben vom Getriebe über Gelenkwelle Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer

Scheibenbremse: Sattelbauarten

Festsattel hydraulischer Druck

M

M Ft

Ft Bremskolben

Bremsbeläge


4 0 0 2 , . l f u A . 2 , h c u b d n a h n e s m e r B : . g s r H , l l i B / r e u e r B : e l l e u Q

Scheibenbremse: Sattelbauarten

Schwimmrahmensattel

Schwimmsattel, wird durch Kolben verschoben; axiale Lagerung des Gehäuses erforderlich

hydraulischer Druck

Bremskolben Bremsbeläge Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer

4 0 0 2 , . l f u A . 2 , h c u b d n a h n e s m e r B : . g s r H , l l i B / r e u e r B : e l l e u Q

Teilarbeitsschritte der Teilarbeitsschritte Kupplungsberechnung

• Auslegen nach dem Kennmoment • Auslegen nach der thermischen Belastung • Ermi Ermitte tteln ln der der the therm rmis isch chen en Bel Belas astu tung ng für für die die endgültige Geometrie

Drehmomentes • Ermitteln des übertragbaren Drehmomentes • Berechnen der Federn, (E-Magnet,...)


Berechnung von Kupplungen

Vereinfachtes Modell zur Kupplungsbere Kupplungsberechnung chnung Motor

MA

Schwung rad

Getriebe

Antrieb JA,ω10

Last JL ,ω20

• Antr Antrie iebs bsmo mome ment nt MA, Massenträgheitsmoment JA • Winke Winkelge lgesch schwin windig digke keitit ω10

MK

Last

ML

• Last astmom moment ent ML, Massenträgheitsmoment JL, • Winke Winkelge lgesch schwin windig digkei keitt ω20

Berechnung Bremsen • Brems Bremsen en als als Scha Schaltk ltkupp upplun lungen gen mit 100% 100% Schlu Schlupf pf betr betrach achten ten • Analog Analoge e Berec Berechun hung, g, da da diese dieselbe lben n physik physikali alisch schen en Gese Gesetze tze gelt gelten en • Deutlich Deutlich längerer längerer Schaltvorga Schaltvorgang ng erzeugt erzeugt stärkere stärkere Umwandlung Umwandlung der kinetischen kinetischen Energie in Wärme Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer

Auslegung reibschlüssiger Schaltkupplungen

Parameter beim Schaltvorgan Schaltvorgang g Qstat statische Schaltarbeit vom Lastmoment Qdyn dynamische Schaltarbeit aus der Massenträgheit Massenträgheit JL t11 Ansprechverzug nach Betätigung der Kupplung t12 Anstiegszeit (zum Aufbau der Drehmomentübertragung) t3 Rutschzeit (zum vollständigen vollständigen Winkelgeschwindigkeitsausgleich zwischen zwischen An- und Abtri Abtrieb) eb) t1 Schaltgeschwindigkeit (zum Aufbau des kompletten Kupplungsmoments) Mr Leerlaufmoment Leerlaufmoment (z.B. unvollständige Trennung von Lamellen) Ma Moment zur Überwindung der Massenträgheiten Msyn Synchronmoment Differenzgeschwindigkei Differenzgeschwindigkeitt ist Null MS Schaltmoment ist Summe aus ML und Ma

4 7 G e g a l f u A . 0 2 l e b b u D : e l l e u Q


Auslegung reibschlüssiger Schaltkupplungen

Erforderliches Kupplungsmoment MK (vereinfachtest Modell einer von ω20 auf ω10 zu beschleunigenden Last)

Beschleunigungsmoment Ma (zur Überwindung der Massenträgheiten)

Δω Δt Ma = ΣM = MK − ML

Ma = JL ⋅

Erforderliche Kupplungsmoment MK (vereinfachte (vereinfachte Auslegung unter Vernachlässigung der Anstiegszeit t12)

MK =ML +

JL ⋅ (ω 10 − ω 20 ) t3

Winkelgeschwindigkeit ω =

2 ⋅ π ⋅ n

Startdrehzahl n20

Enddrehzahl n10



Geometrie der Reibflächen (Lamellen)

⎡⎛ DR ⎞ 2 ⎛ dR ⎞ 2 ⎤ A R = π ⎢⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ ⎥ ⎢⎣⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ ⎥⎦ = 2π ⋅ r m ⋅ b

R

D R d

N

N

mit AR DR dR r m b FN MK µ zR MA ML

Reibfläche Außendurchmesser Idealisierung der Reibflächengeometrie Innendurchmesser mittlerer Radius der Reibbeläge b Belagshöhe Normalkraft auf den Reibbelägen b = ( D R − d R ) / 2 R R Kupplungsmoment D d Reibwert Anzahl der Reibpaare Antriebsmoment Lastmoment Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer


FN

MA

FU

FN

r m

ML

b

MK Berechnung des Kupplungsdreh Kupplungsdrehmoments moments M K mit M K = μ ⋅ FN ⋅ r m ⋅ z R p: Flächenpressung < pzul = μ dyn / stat ⋅ FN ⋅ r m ⋅ z R M K = 2 π ⋅ z R ⋅ μ ⋅ p zul ⋅ r m 2 ⋅ b = μ dyn / stat ⋅ p ⋅ A R ⋅ r m ⋅ z R Sicherheit bezüglich der maximalen Reibflächenpressung Flächenpressung pR bei konstanter Verteilung der Anpresskraft F

p R =

F N AR

Anpresskraft Reibfläche

Sicherheit SP

S P =

p Rzul p R

zulässige Flächenpressung vorhandene Flächenpressung


Auslegung reibschlüssiger Schaltkupplungen Mechanische Schaltarbeit Q (vereinfachte Auslegung unter Vernachlässigung der Anstiegszeit t12) t3

Q = MK ⋅ ∫ (ω 10 − ω 20 )dt 0

1 ⋅ M ⋅ Δω ⋅ t 3 2 K J ⋅ 2 ⋅ π ⋅ (n10 − n20 ) t3 = L Mit MK − ML Q=

Schaltarbeit Q Die Schaltarbeit wird beim Kuppeln in Wärme umgewandelt.


Vergleich der vorhandenen Schaltarbeit mit dem zulässigen Wert: !

Q ≤ Q zul Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer

Auswahlkriterium: Auswahlkriteri um: zulässige Schaltarbei Schaltarbeitt Qzul 3 7 G e g a l f u A . 9 1 l e b b u D : e l l e u Q

Auswahl: • Zahl der Schaltzyklen • Sch Schalt altarb arbeit eit pro Zyklus • Bauraum

Bauarten reibschlüssiger Schaltkupplungen im Vergleich für ein Kennmoment MK = 500Nm und eine Drehzahl n = 1500min-1 Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer

Auswahlkriterium: Auswahlkriter ium: Werkstoffe Ausgewählte Eigenschaften einiger Reibpaarungen Reibpaarungen:: Nasslauf

Trockenlauf

Sinterbronze/Stahl

Papier/ Stahl

Sinterbronze/ Stahl

organ. Beläge/ Guss

Gleitreibungszahl µ dyn

0,05 bis 0,10

0,10 bis 0,12

0,15 bis 0,30

0,3 bis 0,4

max. Gleitgeschwindigkeit [m/s]

40

30

25

40

max. Reibflächenpressung [N/mm²]

4

2

2

1

zul. Reibleistung [W/mm²]

1,5 bis 2,5

1,0 bis 2,0

1,5 bis 2,0

3,0 bis 6,0

Eigenschaften der Reibwerkstoffe Reibwerkstoffe:: Reibwer eibwerk kstoff off

Cermets Cermets bestehen bestehen aus aus einer einer Cu-Ni Legierung, die als keramische Bestandteile vor allem Wolfram, Silizium-, Bohr-, Tantal-, Titancarbid-, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid und Magnesiumoxid enthält.

(Härte nach unten zunehmend)

Baumwollgewebe Reibwerkstoffe auf Harzbasi Harzbasis s gesint gesi nterte erte Metalle

Reibun eibungs gsk koff.

Betriebstemp.

Maximaltemp.

Arbeitsdruck

(Gegenkörper Gusseisen)

[C°]

[C°]

[kN/m2]

0,5

100

150

70 ... 700

0,32

300

550

350 ... 1750

0,3

300

600

350 ... 3500

0,32

400

800

350 ... 1050

Cermets


Gestaltungsrichtlinien von Kupplungen • Einsat Einsatzz von Stan Standa dardk rdkup upplu plunge ngen n (nied (niedrig rigere ere Kost Kosten) en) • Beachtun Beachtung g der Herstelle Herstellerang rangaben aben wie z.B. Auslegun Auslegungsri gsrichtli chtlinien nien,, Gestaltungshinweise, Schnittstellenanforderungen und die MontageMontage- sowie sowie Bedienungsa Bedienungsanlei nleitung tung • Einbauor Einbauortt so wählen, wählen, dass ein möglichst möglichst kleines kleines Kupplung Kupplungsmom smoment ent entsteht (kleinere Baugrößen) • Genaue Genaue Ausrichtu Ausrichtung ng der Wellen Wellen und Lagerun Lagerung g in in Kupplu Kupplungsn ngsnähe ähe erhöhen Lebensdauer • Die beiden beiden Kupp Kupplung lungshäl shälften ften sollten sollten statisch statisch bestimmt bestimmt gelagert gelagert sein (statische Überbestimmung  Klemmen; statische Unterbestimmung  unkontrollierte Bewegungen) • Einfac Einfache he Monta Montage ge sowie sowie Wartu Wartung ng ermög ermöglic lichen hen Technisc Technische he Universit Universität ät Berlin Berlin Konstruktion von Maschinensystemen Maschinensystemen Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer

Normen und weiterführende Literatur DIN Normen für Kupplungen • DIN 740 • DIN 3238 • VDI 2240 • VDI 2241

Antriebstechnik; Nachgiebige Wellenkupplungen Druckluftkupplungen - Klauenkupplung, 42 mm Klauenabstand, mit Sicherungsmutter Wellenkupplungen – systematische Einteilung nach ihren Eigenschaften schaltbare, fremdbetätigte Reibkupplungen und –bremsen

DIN Normen für Bremsen • DIN 15432 • DIN 15434 • DIN 27205

Antriebstechnik; Bremsscheiben; Hauptmaße Antriebstechnik; Trommel- und Scheibenbremsen; Berechnungsgrundsätze Zustand der Eisenbahnfahrzeuge - Bremse - Teil 2: Scheibenbremse, mechanischer Teil


Kupplungen und Bremsen

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