FACHPRÜFUNG MASCHINENELEMENTE III

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1 Fachereich FACHPRÜFUG MASCHIEELEMETE III :30 is 16:00 Uhr (1,5 Stunden) Beareiter: Matr.-r. : Umfang: Σ 73 Punkte I (73 Punkte) Die Klausur ist estanden, wenn mindestens 9,5 Punkte erreicht wurden. Hinweise zur Beareitung: Alle Blätter sind mit dem amen und der Matrikel-r. zu eschriften. Bei fehlender Beschriftung werden die Aufgaen ggf. nicht ewertet. Alle Aufgaen sind auf den Aufgaenlättern zu eareiten. Zusätzliche Blätter sind eim Aufsichtspersonal erhältlich. Bitte schreien Sie das Ergenis der Berechnungen in das vorgesehene Lösungskästchen, zusätzlich muss der Lösungsweg nachvollziehar sein; das Ergenis alleine ist nicht ausreichend. Zugelassene Hilfsmittel: Keine (außer Taschenrechner, Schrei- und Zeichenwerkzeug) Bewertung: (icht vom Beareiter auszufüllen) E FE E SR E T E GL E SW E RK E KB E FÜ Σ Pmax Pmax Pmax Pmax Pmax Pmax Pmax Pmax Pmax

2 Konstruktionselemente / E-FE 16 lan Bl. 1 v. Aufgae E FE (Federn) Teilaufgae E-FE 1 E-FE E-FE 3 Σ Max. Pktzahl 5 9 E-FE 1 Erreichte Pktzahl Zeichnen Sie die Tellerfederpakete, c, und d wenn eine Tellerfeder die Kennlinie aufweist. c d a,58 3,75 a c d E-FE Wie ezeichnet man die Federcharakteristik des Tellerfederpaketes c und d und wo können diese sinnvoll eingesetzt werden? Welche weiteren Federcharakteristiken kennen Sie? enne Sie auch hier je ein typisches Einsatzgeiet. Progressiv: Linear: Degressiv: Endanschlag Fahrzeugfeder Anpressfeder in Reikupplung

3 Konstruktionselemente / E-FE 16 lan Bl. v. E-FE 3 Berechnen Sie für das dargestellte Federsystem die Gesamtfederrate. c 1 60 /mm, c 80 /mm, c 3 10 /mm. c 3 c c 1 c ( c1 + c) c3 ( c + c ) + c ges ,6 mm

4 Konstruktionselemente / E-SR ric Bl. 1 v. 3 Aufgae E SR (Schrauen) Teilaufgae E-SR 1 E-SR Σ Max. Pktzahl Erreichte Pktzahl Eine 150 kg schwere Tür ist üer zwei Scharniere mit der Zarge verunden. Jedes Scharnier ist daei mit zwei Schrauen der Festigkeitsklasse 8.8 efestigt. Gehen Sie davon aus, dass entweder das oere oder das untere Scharnier Kräfte in vertikaler Richtung (y-richtung) aufnimmt, da aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten immer ein Scharnier Spiel hat. E-SR 1 Zeichnen Sie das Freikörperild und erechnen Sie die Kräfte auf die eiden Scharniere (einzelne Schrauen nicht freischneiden). Betrachten Sie alle Kräfte nur in einer Eene (Tür ist (fast) verschlossen). Ist es kritischer, wenn das oere oder untere Scharnier die vertikale Kraft üernimmt? Welches Scharnier ist höher elastet? A x A y Schrauen G Schwerpunkt B x y x B y G 150 kg 9, ,5 kg 1. Fall: oeres Scharnier üernimmt vollständige Kräfte Σ F x 0 Ax + Bx Ax Bx Σ F y 0 Ay G 0 Ay G 1.471,5 Σ M A 0 Bx 160mm -G 50mm B x 459,85 A x 459,85

5 Konstruktionselemente / E-SR ric Bl. v. 3. Fall: unteres Scharnier üernimmt vollständige Kräfte Σ F y 0 By G 0 By G 1.471,5 Σ M B 0 Ax 160mm + G 50mm A x 459,85 B x 459,85 Die eiden Fälle sind identisch. Das Scharnier, welches die Kraft in y-richtung üernimmt, ist das höher Belastete. E-SR Gehen Sie davon aus, dass die Kräfte eines Scharniers üer die jeweils Schrauen der Festigkeitsklasse 8.8 gleichmäßig ausgeleitet werden. Durch das Scharnier möglicherweise erzeugte Biegemomente werden vernachlässigt. Führen Sie die Grodimensionierung der Schraue nach der DI 30 durch (Formeln auf der nächsten Seite). Die Befestigung erfolgt mit einem einfachen Drehschrauer. Wie lautet die normgerechte Bezeichnung einer 30 mm langen Schraue mit dem entsprechenden Durchmesser? Resultierende Kräfte: A ( 459,85) + (1.471,5) 1.541,68 Auswahl aus Taelle: Wert 3 Erhöhung aufgrund Anziehen mit einfachen Drehschrauer: Wert 5 Bezeichnung der Schraue: M5 x

6 Konstruktionselemente / E-SR ric Bl. 3 v. 3

7 Konstruktionselemente / E-T ric Bl. 1 v. 3 Aufgae E T (ieten) Teilaufgae E-T 1 E-T Σ Max. Pktzahl Erreichte Pktzahl E-T 1 Beim ageildeten Schlitten sind die zwei Gleitflächen aus ST 36 üer einen Flach-Senkniet (DI 675) mit dem Holzgrundgerüst verunden. Die ieten estehen eenfalls aus dem Werkstoff ST 36. Es ist der Lastfall HZ anzunehmen. Die Belastung resultiert aus den Scherkräften, die aus der Reiung zwischen den Kufen und dem Bodenelag entstehen. Die ieten sollen die volle Kraft üernehmen. Die Reikräfte zwischen Kufe und Holz werden aus Sicherheitsgründen vernachlässigt. Um die ungleiche Verteilung aufgrund von Fertigungstoleranzen und elastischen Verformungen zu erücksichtigen, wird von einem Sicherheitsfaktor von 1,8 ausgegangen. Berechnen Sie die Mindestanzahl an ieten, die pro Kufe erforderlich ist, wenn die Maximallast (Schlitten + Person) 150 kg eträgt. Gehen Sie von einem Reieiwert von µ 0,7 aus. Der Durchmesser eines ietschafts eträgt mm, die tragenden Länge in der Gleitfläche 1 mm. Bem.: Berücksichtigen Sie den Lochleiungsdruck und die Ascherspannung! Berechnen Sie diese nur für die Gleitflächen (nicht für den iet im Holz)! Auf der üernächsten Seite sind einige Formeln aufgeführt. Kraft pro Stufe: F S 150 kg 9,81 kg 0,7 F S 515,03 Sicherheit von 1,8: F S 97,05 Üerprüfung des Lochleiungsdruckes: 97,05 n mm 1mm n 360 mm n 360 mm n 1, mm 97,05 mm 1mm 154,509 mm

8 Konstruktionselemente / E-T ric Bl. v. 3 Üerprüfung der Ascherspannung: 97,05 (mm) n mm 97, n mm 3,1416mm 160 n 131,14 mm mm n 1,84 Es sind mindestens iete erforderlich. E-T ennen Sie jeweils drei Vor- und achteile von ietverindungen. Vorteile: - meist ohne Beschädigung der Bauteile lösar - kein Wärmeverzug - keine Gefügeveränderung - Verindung auch ungleicher Werkstoffe - Einfache Kontrolle achteile: - Kerwirkung durch ietlöcher - Hoher Areits- und Kostenaufwand - Viel teurer als schweiß- oder Kleeverindungen - Stumpfstöße nur mit zusätzlichen Laschen ausführar

9 Konstruktionselemente / E-T ric Bl. 3 v. 3 Auszug aus dem Skript: Lochleiungsdruck: l F n d t min l zul σ l Lochleiungsdruck t min kleinste tragende Blechdicke n Anzahl der tragenden iete F senkrecht zum iet angreifende Kraft d Durchmesser des geschlagenen ietschaftes σ l zul zulässiger Lochleiungsdruck Ascherspannung: a F n m A iet azul τ a Ascherspannung τ a zul zulässige Ascherspannung m Schnittigkeit A iet Querschnittsfläche des iets Werte für τ a zul und σ l zul : Ahängig vom Werkstoff des iets und vom Belastungsfall; Lastfall H (nur Hauptlasten) und HZ (Haupt- und Zusatzlasten); in /mm : τ a zul σ l zul Werkstoff H HZ H HZ St St

10 Konstruktionselemente / E-GL ele Bl. 1 v. 4 Aufgae E GL (Gleitlager) Teilaufgae E-GL 1 E-GL E-GL 3 E-GL 4 Σ Max. Pktzahl Erreichte Pktzahl Ein Konstrukteur hat ein hydrodynamisch geschmiertes Gleitlager ausgewählt. Folgende Daten sind ereits ekannt: Bezeichnung Wert Betrieskraft F R 30 k Betriesdrehzahl n 1500 min -1 Lagernenndurchmesser d 65 mm Breite-Durchmesserverhältnis /d 0,6 Viskosität-Schmiermittel η 0,079 Pa s E-GL 1 Welchen Werkstoff wählen Sie für die Lagerschale? Begründen Sie Ihre Auswahl durch eine Berechnung. p m FR d mm 65 mm 11 mm Aufgrund des mittleren Lagerdrucks wird Bronze als Werkstoff ausgewählt! E-GL Legen Sie eine geeignete Passung für die Komination Welle/Lagerschale fest. Passung nach Diagramm: F7/c7 E-GL 3 Ein Konstrukteur hat sich für die Passung G7/c8 entschieden. Berechnen Sie die Sommerfeldzahl für das Größt- und Kleinstspiel und üerprüfen Sie o das Lager lauffähig ist. 65G ,04 + 0,01 65c8 65 0,140 0,186 s min 0,150 mm s max 0,6 mm So min (0,150mm) mm (65mm) 7,9 10 /mm 5s 5,08

11 Konstruktionselemente / E-GL ele Bl. v. 4 So max (0,6mm) mm (65mm) 7,9 10 /mm 5s 11,53 Das Lager ist nicht Lauffähig, da die max. Sommerfeldzahl außerhal des zulässigen Bereichs liegt. E-GL 4 Sie haen festgestellt, dass die Sommerfeldzahlen zu hoch sind und das Lager nicht lauffähig ist. ennen Sie zwei Maßnahmen, um die Funktionsfähigkeit des Lagers sicherzustellen. Die radiale Kraft kann nicht verändert werden! Einsatz eines Öls mit höhere Viskosität Verhältnis /d erhöhen

12 Konstruktionselemente / E-GL ele Bl. 3 v. 4 Formeln 1 Pa s 1 s/m Sommerfeldzahl d d ψ d 1 1 s d So m ) p ψ η ω Fr ψ Fr ( s / d Fr s d η ω d η ω 3 d η ω So min Fr smin 3 d η ω So max Fr smax 3 d η ω So Sommerfeldzahl s min Kleinstspiel s max Größtspiel η Dynamische Viskosität F r Radialkraft Lagerreite d enndurchmesser ω Winkelgeschwindigkeit p m F r d d Fr p ( / d) mzul Werkstoff der Zul. mittl. Lagerdruck Lagerschale (Welle aus Stahl) p m zul in /mm hydrodynamisch Mischreiung Bronze 0 0,5 Weißmetall 10,5 sonst. Kunststoffe 1-0,5-1 (geschmiert)

13 Konstruktionselemente / E-GL ele Bl. 4 v. 4 Werkstoff der Lagerschale Relatives Lagerspiel y Bronze 0, ,003,5..3 Weißmetall 0,0005 0,5 Grauguss 0, , Kunststoff 0, , ISO-Amaße für Wellen (in µm) ISO-Amaße für Bohrungen (in µm)

14 Konstruktionselemente / E-SW yük Bl. 1 v. 5 Aufgae E-SW (Schweißverindungen) Teilaufgae E-SW 1 E-SW Σ Max. Pktzahl Erreichte Pktzahl E-SW 1 Der ageildete Teller einer Reinigungsürste für Flugzeuge wird mit einem schwellenden Torsionsmoment von 0 m elastet. Aufgrund von Kippkräften ergit sich zusätzlich ein an der Schweißnaht wechselnd wirkendes Biegemoment von 30 m. Die Güte der Flachkehlnähte entspricht der Bewertungsgruppe C. Als Werkstoff wird St 5 verwendet. Sind die Schweißnähte ausreichend dimensioniert, wenn eine Sicherheit von gefordert ist? Kennzeichnen Sie ggf. verwendete Taellenwerte. σ zul α0 α β σ S Grenz α o 0,5 Bewertungsgruppe C α 0,5 Flachkehlnaht Biegung β 0,9 Beiwert für Schrumpfspannungen σ Grenz 10 /mm σ zul 3,6 /mm

15 Konstruktionselemente / E-SW yük Bl. v. 5 σ M W M max 30 m W 3 4 (31+ 4) ,8 mm 3 σ max mm 8,6 /mm ,8 mm T max 0 m τ t T W p W p 16 4 (31+ 4) ,7 mm 3 τ t W T p 0000 mm 6997,7 mm 3,9 /mm σ v 0,5 ( σ + t σ + 4 τ ) vmax 9,5 /mm σ vmax σ zul > S hält! Richtig üernommene Werte, die nicht gekennzeichnet sind, ergeen die Hälfte der Punkte!!!!!!!!!

16 Konstruktionselemente / E-SW yük Bl. 3 v. 5 E-SW a) Skizzieren Sie eine geeignete Maßnahme, um die in der Schweißnaht vorhandene Biegespannung zu vermeiden. Einzeichnen der Rippe Darstellung der Schweißnähte an der Rippe Freilassung der Ecke ) ennen Sie ein geeignetes Schweißverfahren für die Schweißnaht. Das gewählte Verfahren soll sehr gut automatisierar sein. MAG

17 Konstruktionselemente / E-SW yük Bl. 4 v. 5 E-SW Formelsammlung: Vorhandene Spannung ei Kehlnähten: Belastun ahtform g Biegung Schu + Biegung Torsion σ M / W ahtfläche zw. Widerstandsmoment W W a l 6 hochkant a l flachkant 6 ahtnennspannung Vergleichsspannung aus σ + σ + 4 τ s σ v σ und τ s ( s + a) ( h + a) t T W p W 3 3 [ s h ] 6 τ π ( d + a) W p 16 ( h + a) 4 d d + a 4 Torsion + Biegung σ z,d, σ, τ s, τ t, σ v T W W p Spannungen Torsionsmoment Biege-Widerstandsmoment Polares Widerstandsmoment Vergleichsspannung aus σ und τ t σ + σ W v π 3 σ ( d + a) A ahtquerschnitt σ zul /A zulässige Spannungen M Biegemoment F z,d, F q Zug-/Druckkraft, Querkraft + 4 τ 4 t d d + a 4 Zulässige Spannung: σ zul α0 α β σ S Grenz σ zula α0 αa β σgrenz (τ S zul entsprechend) α o Beiwert für die Bewertungsgruppe der Schweißnaht α o 1 (Bew.-Gruppe A, nicht mehr genormt) α o 0,8 Bewertungsgruppe B α o 0,5 Bewertungsgruppe C, D β 0,9 Beiwert für Schrumpfspannungen (d. h. Eigenspannungen 10 % der Grenzspannung gesetzt) S Sicherheit S 1,5... ei schwellender Belastung S ei wechselnder Belastung Kennwerte für σ Grenz in /mm : α Formzahl der aht gemäß Bild unten α A Formzahl des Anschlussquerschnitts gemäß Bild unten σ Grenz Grenzspannung, ahängig von der Belastungsart σ sch ei schwellender Zug-/Druckelastung σ w ei wechselnder Zug-/Druckelastung σ sch 1,..1,4 σ sch schw. Biegeelastung σ w 1,3 σ w wechselnde Biegeelastung τ sch 0,8 σ sch schwellende Schuelastung τ w 0,8 σ w wechselnde Schuelastung

18 Konstruktionselemente / E-SW yük Bl. 5 v. 5 σ sch σ w σ sch σ w τ t sch τ t w (St 37) (St 5) Dauerfestigkeitskennwerte und Formzahlen: Kennwerte für (St 37) Zug/Druck Biegung/Schu ahtart (Symol) Bild aht Anschluss aht Anschluss Biegung Schu α σ sch α σ w α A σ sch α A σ w α α A α α V-aht (V) ,4..0,5 0,5..0,6 0,35 V-aht, wurzelverschweißt DV-aht (X) ,7..0,8 0,8..0,9 0,5..0,7 V-aht, eareitet ,9 1,0 0,73 Flachkehlnaht ,35 0,56 0,5 0,35 Hohlkehlnaht ,35 0,7 0,85 0,45 Doppel-HV-aht, Doppel-HY-aht (K- aht) Doppel-HV-aht, Doppel-HY-aht (K- aht); hohl ,56 0,6 0,8 0, ,7 0,7..0,8 0,85 0,45 Flachkehlnaht einseitig ,5-0,1 0, HV-aht, hohl ,6-0,7 0,5 Flankenkehlnaht ohne/ mit Entkrater- Beareitung Rundnaht α τ t sch α τ t w ,35 0, ,65 0,7 Formzahl für Verdreheanspruchung α 0,5

19 Konstruktionselemente / E-RK-7 sej Bl. 1 v. Aufgae E-RK (Riemen und Ketten) E-RK E-RK Σ Teilaufgae 1 Max. Pktzahl 4,5 4,5 9 Erreichte Pktzahl Ein Flachriementrie wird durch Achsastandsvergrößerung auf eine Trumkraft von je F vorgespannt. Das Üersetzungsverhältnis ist i 1; der Reiwert ist µ 0,5; der Scheiendurchmesser eträgt d 00 mm. E-RK 1 Welches Moment M t kann maximal üertragen werden? Skizze: F A F A d i 1; β 180 (an eiden Scheien!) In Ruhe: F F F und F F + F F.000 (d ai 1 ) 1 A 1 1. M T d Ft ( F 1 d F ). F 1 F e A F F e + F.000 F ( e + 1).000 F F 344, 0,5 e + 1 e + 1 0,5 F 1 F e 344, e 1.655,8 In 1: M T ( ) d F1 F (1.655,8-344, ) 0, m M T 131,16 m

20 Konstruktionselemente / E-RK-7 sej Bl. v. E-RK Es soll ein Moment von M t 00 m üertragen werden. Welche Vorspannkraft (Trumkraft) je Trum ist hierfür erforderlich? M! T 00 m M T ( ) d F1 F F 1 F e M T F ( e d 1) F F M T 00 m 0,5 d ( e 1) 0,m ( e -1) 0,5 1 F e 54,87 e F F + F const. A 1.54,87 54,87 F A.54, , , Vorspannkraft je Trum: F F A 1.55 Hilfe: F 1 F e µβ

21 Konstruktionselemente / E-KB 7 sej Bl. 1 v. Aufgae E KB (Kupplungen) Teilaufgae E-KB 1 E-KB E-KB3 Σ Max. Pktzahl 5 9 Erreichte Pktzahl Ein in einem Steinruch eingesetzter Gurtandförderer wird von einem Drehstromasynchronmotor angetrieen. Das Lastmoment des Gurtandförderers eträgt drehzahlunahängig M Last 960 m. Der Drehstromasynchronmotor esitzt ein Anlaufmoment von 600 m. Das Kippmoment eträgt m, das ennmoment m. E-KB 1 Reicht es zum Betreien der Anlage aus, zwischen Motor und Lastmaschine eine Polygonringkupplung einzuauen? Begründung! ein, das Anlaufmoment des Motors ist kleiner als das drehzahlunahängige Lastmoment des Gurtandförderers. E-KB In einer ähnlichen Anordnung wird zusätzlich eine Reikupplung eingesetzt, die maximal 960 m üertragen kann. Wie eurteilen Sie die Leistungsfähigkeit der Kupplung im Hinlick auf die Tatsache, dass der Gurtandförderer häufig gestoppt wird und anschließend wieder anlaufen muss? Die Kupplung wird unter starker Rauchentwicklung areiten, da keine Reserve für ein Beschleunigen der Last vorhanden ist. Das Beschleunigungsmoment würde ei dieser Kupplung unerücksichtigt leien. E-KB 3 Als Reikupplung soll eine hydraulisch schaltare Kegelkupplung zwischen Motor und Lastmaschine eingesetzt werden. Welches Drehmoment kann die dargestellte Kupplung üertragen? (Gegeene Daten s. nächste Seite). / F F S F S

22 Konstruktionselemente / E-KB 7 sej Bl. v. Gegeene Daten der Kegelkupplung: Gesamtfläche der Kolen: A 1.00 mm Öldruck: p 100 ar (1 ar 10 5 /m ) Öffnungswinkel: 10 Reieiwert: µ 0,3 Mittlerer Reidurchmesser: d m 160 mm γ cos F F S FS F γ cos F 5 S p A (0,001m) m F S F cos M R F r m µ z M R m 0,3 M R 1.15 Hilfe: Allgemein gilt für das Reimoment einer reischlüssigen Schaltkupplung: M R F r m µ z, woei F die senkrecht auf den reienden Flächen stehende Kraft ist!

23 Konstruktionselemente / E-FÜ ele Bl. 1 v. Aufgae E FÜ (Linearführungen) Teilaufgae E-FÜ 1 E-FÜ E-FÜ 3 E-FÜ 4 E-FÜ 5 Σ Max. Pktzahl 3, ,5 9 Erreichte Pktzahl Bei hydrostatischen Gleitlagern wird der Führungsschlitten durch einen Ölfilm vollständig agehoen, so dass kein Festkörperkontakt mehr esteht. E-FÜ 1 Welche Varianten zum Aufau des Ölfilms existieren? Skizzieren Sie diese Varianten und nennen Sie Ihre Eigenschaften. Je eine Pumpe pro Tasche Hoher Aufwand Vollständige Unahängigkeit der Druckverhältnisse Geringe Verlustleistung Eine gemeinsame Pumpe, je einer Drossel pro Tasche Geringer Aufwand Druckverhältnisse nicht Unahängig Verluste in den Drosseln, Ölerwärmung E-FÜ Was ist zu eachten, wenn die Last nicht gleichmäßig auf den Führungsschlitten verteilt ist, sondern nur auf einer Ecke des Führungsschlittens aufliegt? Druckausgleich zwischen den einzelnen Schmiertaschen

24 Konstruktionselemente / E-FÜ ele Bl. v. E-FÜ 3 Skizzieren Sie den Verlauf des Reieiwerts in Ahängigkeit der Geschwindigkeit für ein hydrostatisches Gleitlager E-FÜ 4 Gleitführungen mit Mischreiung haen entscheidende achteile gegenüer hydrostatischen Gleitführungen. ennen Sie diese und erläutern Sie, welche Proleme sich hieraus in der Praxis ergeen können. achteile: Höherer Gleitreieiwert als ei hydrostatischen Gleitführungen Unterschied zwischen Anlaufreiung (Haftreieiwert) und Gleitreieiwert Proleme: Der Stick-Slip-Effekt kann auftreten Höherer Verschleiß tritt auf E-FÜ 5 Warum tritt der Stick-Slip-Effekt ei hydrostatischen Führungen nicht auf? Hydrostatische Führungen areiten nur im Bereich der Flüssigkeitsreiung