MUT HAW Hamburg Fakultät Technik und Informatik Department Maschinenbau und Produktion Praktikum - Konstruktion C Labor für Maschinenelemente und Tribologie W 17 Prof. Dr.-Ing. Andreas Meyer-Eschenbach Dipl.-Ing. Niels Eiben Dipl.-Ing. Thomas Rieling Datum/Semestergruppe 1. Teilnehmende(r) 2. Teilnehmende(r) geprüft: Versuchsreihe B1-B2: Getriebeanwendungen Versuch B2: Wirkungsgrad von Getrieben Inhaltsverzeichnis 1 Getriebewirkungsgrad... 2 2 Versuchsaufbau... 2 2. 1 Prüfgetriebe... 3 2. 2 Drehmomentmessung... 3 3 Versuchsdurchführung... 4 3. 1 Allgemeine Beobachtungen... 4 3. 2 Drehmomentmessung... 4 4 Nachbearbeitung und Aufgaben... 5 4. 1 Auswertung der Messdaten (Anhang 4)... 5 4. 2 Auswertung der allgemeinen Beobachtungen (Anhang 5)... 5 Anhang 1a - Aufbau des Getriebes Nr. 1... 6 Anhang 1b Aufbau des Getriebes Nr. 2... 7 Anhang 2 Getriebeverlustgrad... 8 Anhang 3 Getriebeuntersuchung... 9 Anhang 4 Drehmomentmessung... 10 Anhang 5 Verhältnisse im Nennbetrieb und im Versuch... 11 Allgemeine Informationen zur Versuchsreihe Die Versuche im Rahmen der Laborveranstaltung sind gemäß den Versuchsbeschreibungen und zusätzlichen Anweisungen durch die Labormitarbeiter durchzuführen. Die Studierenden erstellen mithilfe der Messdaten und Beobachtungen aus den Laborveranstaltungen ein Kurzprotokoll, das im Normalfall am Ende der Veranstaltung oder spätestens 1 Woche nach dem Praktikumstermin fertiggestellt sein soll. Für die Aufzeichnung der Messergebnisse und Beobachtungen ist neben den anhängenden Messprotokollen nach Möglichkeit ein USB-Speicher mitzubringen. 1
1 Getriebewirkungsgrad Getriebe dienen zur Übertragung oder Veränderung von Drehmomenten und Drehzahlen und dies erfolgt über die einzelnen beteiligten Maschinenelemente. Die dabei nicht vermeidbaren Reibungsprozesse sind bestimmt von der Auswahl und Ausführung der kraftübertragenden Elemente (Zahnräder und deren Verzahnungen, Lagerungen, Schmierstoff) und anderer Bauteile. Im Schmierstoff, an den Abdichtungen und auf den Zahnflanken entsteht aus den Bewegungen Wärmeenergie, die hauptsächlich über die Gehäuseoberfläche verloren geht. Trotz zahlreicher Einzelverluste ergeben sich für Zahnradgetriebe gemäß Gl. 1 hohe Wirkungsgrade η bis zu 99% für einstufige Stirnradgetriebe: Pab η = < 1, mit den Antriebs- und Abtriebsleistungen Pa und Pb (W). (1) P zu Am Beispiel von aufgeschnittenen Getrieben (s. Abb. 1) kann die Summe der Verluste näherungsweise bestimmt und der Gesamtwirkungsgrad berechnet werden. Abbildung 1: Getriebe Nr.1 mit aufgeschnittenem Gehäuse In Abhängigkeit der Gesamtübersetzung i ges (-) eines Getriebes kann über An- und Abtriebsdrehmoment (T a, T b (Nm)) der Gesamtwirkungsgrad η ges bzw. der Verlustgrad V bestimmt werden. Tb η ges = = 1 V (2) T i a ges 2 Versuchsaufbau An zwei auf einem Profiltisch befestigten Getrieben (Abb. 2) sollen mit einfachen Mitteln Ein- und Ausgangsdrehmomente verglichen und daraus Rückschlüsse auf den Gesamtwirkungsgrad gezogen werden. Aus der Differenz zwischen An- und Abtriebsmoment können die Verluste abgeschätzt werden, die im Getriebe entstehen. Durch Analyse des Aufbaus und der Komponenten des Getriebes kann man mithilfe bekannter Daten vorab eine Aussage über die voraussichtlichen Verluste machen und diese mit den Messdaten vergleichen. Durch Betrachtung der Bewegungsabläufe und Reibpartner sollen Ansatzpunkte gefunden werden, mit welchen Mitteln man Reibung reduzieren und damit den Wirkungsgrad optimieren kann. 2
2. 1 Prüfgetriebe Die Getriebe sind in Anhang 1a/b gezeigt sowie in ausliegenden Zeichnungen am Praktikumsplatz. An der Antriebsseite der Getriebe sind Handräder montiert, die eine Bohrung aufweisen, an der ein Prüfgewicht angehängt werden kann. Aus dem Radius und dem Gewicht ergibt sich das Prüfdrehmoment. Abbildung 2: Getriebe Nr. 1 und 2 mit Handrad und Prüfgewicht 2. 2 Drehmomentmessung Zur Bestimmung von Drehmomenten an der anderen Seite des Getriebes steht ein elektronischer Drehmomentschlüssel gemäß Abb. 3 zur Verfügung. Vor Benutzung sind unbedingt die folgenden Bedienhinweise zu lesen und zu beachten! Abbildung 3: Digitaler Drehmomentschlüssel [1] 3
3 Versuchsdurchführung Im Folgenden sind die Aufgabenstellungen beschrieben. Daten, die Sie auf den Arbeitsblättern im Anhang sammeln, dienen als Grundlage für das im Anschluss an den Versuch zu erstellende Protokoll. Die Anhänge sind mit dem Protokoll abzugeben. 3. 1 Allgemeine Beobachtungen Führen Sie eine nähere Untersuchung der Getriebe mit Hilfe der Getriebezeichnungen und der aufgeschnittenen Aggregate durch. Sammeln Sie dazu durch Messen, Beobachten, Schätzen und Berechnen die im Anhang 3 gesuchten Informationen. Nehmen Sie gern ein Fachbuch zur Hand, um möglichst viele Unterscheidungsmerkmale zu bestimmen. 3. 2 Drehmomentmessung Experimentieren Sie mit den gegebenen Massen, die mit den Handrädern verbunden werden können (Abb. 2, S. 3); die Handräder sind an der ursprünglichen Antriebseite montiert. Auf der Abtriebseite der Getriebe können Sie mit dem Drehmomentschlüssel ansetzen (und kehren damit An- und Abtrieb um) und die Spitzendrehmomente messen, die notwendig sind, um das Handrad über den Punkt des größten Belastungsmomentes hinweg zu bewegen. Bewegen Sie dazu den Drehmomentschlüssel für die Bewegung kontinuierlich und sehr langsam (z. B. 90 Drehung in 10 s). Führen Sie mindestens 2 Messreihen mit unterschiedlichen Lastmomenten (Gewichten) und je 6 Messwerten durch, die Sie in den Anhang 4 aufnehmen. 4
4 Nachbearbeitung und Aufgaben Mit den aufgenommenen Informationen und Daten mögen die folgenden Aufgabenstellungen für beide Getriebe bearbeitet werden: 4. 1 Auswertung der Messdaten (Anhang 4) a) Berechnen Sie die Mittelwerte und Standardabweichungen für Ihre Messwerte und beurteilen Sie, welche Messreihe die geringste Unsicherheit aufweist. b) Berechnen Sie den Getriebeverlustgrad oder den Wirkungsgrad aus den Versuchsdaten nach Gl. 2 - Beachten Sie dabei, dass Sie das Getriebe mit dem Drehmomentschlüssel ins Schnelle antreiben. 4. 2 Auswertung der allgemeinen Beobachtungen (Anhang 5) c) Geben Sie an, welche Art von Verlusten Ihrer Meinung nach einerseits im Betrieb und andererseits im durchgeführten Versuch maßgeblich sind. d) Geben Sie Maßnahmen an, mit denen der Wirkungsgrad der Zahnradgetriebe günstig beeinflusst werden kann. e) Berechnen Sie für das angetriebene Rad der 1. Stufe (ursprüngliche Antriebseite) die im Wälzpunkt wirkenden Kräfte und die Umfangsgeschwindigkeit e1) für die Nennlast der Getriebe, e2) für die Prüflasten der unter 3. 2 durchgeführten Versuche. 5 Literaturverzeichnis [1] Elora Werkzeugfabrik GmbH, Produktkatalog, Lüttringhausen 2011 [2] Schlecht: Maschinenelemente 2, Pearson Deutschland, München 2009 [3] Bartz: Einführung in die Tribologie und Schmierungstechnik, expert Verlag Renningen 2010 5
Anhang 1a - Aufbau des Getriebes Nr. 1 Abbildung 1: Getriebe 1 im Schnitt Stücklisten 6
Anhang 1b Aufbau des Getriebes Nr. 2 7
Anhang 2 Getriebeverlustgrad Tabelle 1: Getriebeverluste n. Schlecht [2] Tabelle 2: Getriebeverluste n. Bartz [3] 8
Anhang 3 Getriebeuntersuchung Gesucht sind... Getriebe Nr.1 Getriebe Nr.2... alle Merkmale zur Bestimmung der Getriebeart und -bezeichnung. Art und Lage aller Fest- und Los-Lagerungen (in Anhang 1a/b kennzeichnen).... Anzahl, Art und Lage aller Dichtungen (in Anhang 1a/b kennzeichnen).... die Funktion der Drehmomentübertragung auf die Welle am An- und Abtrieb Ermitteln Sie die notwendigen Daten für die Bestimmung aller - Übersetzungen - Drehzahlen Gegebene Größen für Getriebe Nr. 1 Getriebe Nr. 2 Berechnungen Normaleingriffswinkel α n ( ) 20 Schrägungswinkel β w ( ) β Anwendungsfaktor K A (-) sinnvolle Annahme Nenndrehmoment T b (W) ablesen Nennkreisfrequenz ω b (s -1 ) ablesen Wälzkreisdurchmesser d w (m) schätzen Bestätigung des Kurzprotokolls durch Labormitarbeiter: 9
Anhang 4 Drehmomentmessung Messdatenprotokoll zum Getriebewirkungsgrad Datum Getriebe Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3 Versuch 4 Hebelarm (mm) 28 28 28 28 Masse (kg) Lastmoment (Nm) Nr. (ni) Messwert (Nm) Messwert (Nm) Messwert (Nm) Messwert (Nm) 1 2 3 4 5 6 Tbm s(tb) Welche Messreihe zeigt die verhältnismäßig kleinste Unsicherheit? Beispielrechnung: Standardabweichung der Stichprobe: s(tbm). Wirkungs- oder Verlustgrad Beispielrechnung: Ergebnisse: Bestätigung des Kurzprotokolls durch Labormitarbeiter: 10
Anhang 5 Verhältnisse im Nennbetrieb und im Versuch Weitere Überlegungen und Berechnungen: Bestimmende Verluste im Nennbetrieb: Bestimmende Verluste im Messbetrieb: Maßnahmen zur Wirkungsgradoptimierung: Kräfte an den Zahnflanken der 1. Stufe im Nennbetrieb Beispielrechnung: Kräfte an den Zahnflanken der 1. Stufe während der Messungen Beispielrechnung: Bestätigung des Kurzprotokolls durch Labormitarbeiter: 11