3. Seilhaftung und Seilreibung
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- Max Ackermann
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1 3. Seilhaftung und Seilreibung Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
2 3. Seilhaftung und Seilreibung 3.1 Haften 3.2 Gleiten Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
3 Bei einer feststehenden Rolle gilt: Wenn die Rolle glatt ist, müssen beide Massen gleich groß sein. Wenn die Rolle rau ist, können die Massen in gewissen Grenzen unterschiedlich sein. g m 1 m 2 Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
4 Aufgabenstellung: An einem Seilende greift die Kraft S 1 an. S 2 ϕ Wie groß darf die am anderen Seilende angreifende Kraft S 2 höchstens sein? S 1 Gegeben: S1, ϕ, μ 0 Das Seil haftet auf der feststehenden Rolle. Gesucht: S2max Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
5 Gleichgewicht am Seilabschnitt: y α B M O =0 : S B ndα α hdα r S B r S A α A F y =0 : α B α B r h d α=0 α B αa n sin(α)d α α A α B h cos(α)d α α r S A +S B cos (α B ) S A cos(α A )=0 O α A α A x Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
6 Berechnung der Differenzen durch Integrale ergibt: α B M O =0 r α A ( ds d α h ) d α=0 α B F y =0 α A [ n sin (α) h cos (α)+ d d α ( S cos(α)) ] d α=0 Damit die Integrale für beliebige Intervalle null sind, muss gelten: ds ds h=0 h= d α d α n sin (α) h cos(α)+ ds d α cos (α) S sin(α)=0 Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
7 Einsetzen der ersten in die zweite Gleichung ergibt: (n S ) sin (α)=0 n=s Die Haftbedingung lautet: h<μ 0 n Daraus folgt: ds d α <μ 0 S 1 S ds d α <μ 0 Integration über das gesamte Seil ergibt: α 2 1 α1 S S ds d α d α= 2 S 1 ds S <μ ( 0 (α 2 α 1 ) ln S ) 2 S <μ 0 (α 2 α 1 ) 1 Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
8 Mit ϕ = α 2 α 1 lautet die Haftbedingung für das Seil: S 2 <S 1 e μ 0 ϕ Diese Ungleichung wird als Eytelweinsche Seilgleichung bezeichnet. Bemerkungen: Der Winkel ϕ muss im Bogenmaß eingegeben werden. Die Kraft S2 greift auf der Seite an, nach der sich das Seil bewegt, wenn die maximale Haftkraft überschritten wird. Für S 2 <S 2 max =S 1 e μ ϕ 0 bleibt das Seil in Ruhe. Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
9 Beispiel: Seil um Poller Gegeben: Kraft F F Schiff F S 2 Umschlingungen entsprechen 720 Haftungskoeffizient μ 0 = 0,3 Gesucht: Kraft FS, mit der das Schiff maximal ziehen darf, damit die Kraft F nicht überschritten wird Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
10 Bei Überschreiten der Kraft setzt sich das Seil in Richtung Schiff in Bewegung. Daher lautet die Haftbedingung: F s <F Smax =F e μ 0 ϕ Zahlenwert: ϕ=720 π 180 =4 π F Smax =F e 0,3 4 π =43,38 F Bei 3 Umschlingungen ergibt sich: F Smax =285,7 F Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
11 Beispiel: Riementrieb Durch einen Riemen wird ein Moment von der Scheibe B auf die Scheibe A übertragen. ϕ A A r A M A M B r B B ϕ B Gegeben: Vorspannung S0 Radius ra und Umschlingungswinkel ϕ A Haftungskoeffizient μ0 Gesucht: Maximales Moment MA, bei dem der Riemen noch nicht rutscht Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
12 Da der Haftungskoeffizient für beide Scheiben gleich ist, tritt wegen ϕ A < ϕ B Gleiten zuerst bei Scheibe A auf. Gleichgewicht: M A =0 : M A r A (S 1 S 2 )=0 M A =r A (S 1 S 2 ) ϕ A A r A M A S 1 Haftbedingung: Vorspannung: S 1 <S 2 e μ 0 ϕ A S 2 Es gilt: S 1 = S 1 +S S 1 S 2 2, S 2 = S 1 +S 2 2 S 1 S 2 2 Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
13 Mit folgt: S 0 = 1 2 ( S 1 +S 2 ), Δ S= 1 2 ( S 1 S 2 ) S 1 =S 0 +Δ S, S 2 =S 0 Δ S Die Kraft S0 ist gleich der Kraft, die im Riemen auftritt, wenn kein Moment übertragen wird. Sie entspricht der Vorspannung. Einsetzen in die Haftbedingung ergibt: S 0 +Δ S <(S 0 Δ S ) e μ 0 ϕ A Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
14 Daraus kann die Änderung ΔS der Seilkraft bestimmt werden: (1+e μ ϕ 0 A ) Δ S=(e μ ϕ 0 A 1) S 0 Δ S < eμ 0 ϕ A 1 e μ ϕ 0 A +1 S =S tanh ( μ ϕ 0 A ) Mit S 1 S 2 =2 Δ S folgt für das Moment: M A =2r A Δ S <2r A S 0 tanh (μ 0 ϕ A 2 ) Durch Verwendung eines Keilriemens lässt sich erreichen, dass der Wert des Hyperbeltangens nahezu eins wird. Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
15 Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
16 3.2 Gleiten Gleiten tritt auf, wenn das Seil über die festgehaltene Rolle rutscht, oder die Rolle sich gegen das festgehaltene Seil dreht. Seil rutscht: Rolle dreht sich: ϕ S 1 S 2 S 2 ϕ S 1 Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
17 3.2 Gleiten Die Reibungskraft wirkt der Bewegung entgegen. Für die Seilkräfte gilt die Eytelweinsche Seilgleichung: S 2 =S 1 e μ ϕ Die größere Kraft S2 tritt auf der Seite auf, nach der das Seil gleitet, bzw. an der sich die Rolle entgegen der Seilkraft bewegt. Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
18 3.2 Gleiten Beispiel: Bandbremse Gegeben: Kraft F = 100 N ϕ Radius r = 25 cm, Längen L = 1,2 m, L 1 = 10 cm, L 2 = 40 cm r Winkel ϕ = 220 Reibungskoeffizient μ = 0,3 F Gesucht: L 1 L 2 L Bremsmoment bei Drehung im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
19 3.2 Gleiten Drehung im Uhrzeigersinn: Resultierendes Bremsmoment: M A = M A =r (F 1 F 2 ) Seilgleichung: F 1 =F 2 e μ ϕ A x A r Damit folgt für das Bremsmoment: A y M A =r F 2 (e μ ϕ 1) F 1 y F 2 x Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
20 3.2 Gleiten Gleichgewicht am Hebel: M B =0 : L 2 F 2 L 1 F 1 L F =0 F 2 ( L 2 L 1 e μ ϕ )=L F F 2 = L L 2 L 1 e μ ϕ F F 1 L 1 B F 2 F Ergebnis: y B x L 2 L M A1 = L (e μ ϕ 1) L 2 L 1 e μ ϕ r F x B y Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
21 Drehung gegen den Uhrzeigersinn: 3.2 Gleiten Resultierendes Bremsmoment: M A = M A =r (F 1 F 2 ) Seilgleichung: F 2 =F 1 e μ ϕ A x A r Damit folgt für das Bremsmoment: A y M A =r F 1 (1 e μ ϕ ) F 1 y F 2 x Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
22 3.2 Gleiten Gleichgewicht am Hebel: M B =0 : L 2 F 2 L 1 F 1 L F =0 F 1 ( L 2 e μ ϕ L 1 )=L F F 1 = L L 2 e μ ϕ L 1 F F 1 L 1 B F 2 F Ergebnis: y B x L 2 L M A2 = L (1 e μ ϕ ) L 2 e μ ϕ L 1 r F x B y Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
23 3.2 Gleiten Zahlenwerte: ϕ=220 =220 π 180 =3,840 e μ ϕ =e 0,3 3,84 =3,164 Drehung im Uhrzeigersinn: Drehung gegen den Uhrzeigersinn: M A1 =776,9 Nm M A 2 = 55,70 Nm Prof. Dr. Wandinger 5. Haftung und Reibung TM
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