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Federweg und Federkraft
 
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Florian202



Anmeldungsdatum: 10.02.2022
Beiträge: 4

Beitrag Florian202 Verfasst am: 01. Apr 2022 13:02    Titel: Federweg und Federkraft Antworten mit Zitat

Moin,

ich sitze grade an einer Projektarbeit dran. Wir sollen einen Holzspalter konstruieren. Momentan komme ich bei dem Federmechanismus nicht weiter, die Feder soll einen Schalter bestätigen, falls die zu groß wird, um die anderen Bauteil zu schützen. Der Federweg soll maximal sein, Federkonstante habe ich mit bestimmt. Diese Werte habe ich durch also falls, der Gegenhalter(GH) weiter als das Ende fährt. Die Feder soll im Gegenhalter positioniert werden.


Frage: Wie kann ich den Federweg/Federkraft bestimmen, falls zu groß wird. "Gedanken Experiment" zu einem unbestimmter Länge wird der Schalter gedrückt, mal angenommen anstatt Holz wird ein Metall Block verwendet.
Vielleicht Feder Vorspannen?


Weitere Angaben:
n=1000 min^-1= const.
Antriebsmoment:


Vorschubgeschwindigkeit

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roycy



Anmeldungsdatum: 05.05.2021
Beiträge: 724

Beitrag roycy Verfasst am: 01. Apr 2022 13:16    Titel: Re: Federweg und Federkraft Antworten mit Zitat

Florian202 hat Folgendes geschrieben:
Moin,

ich sitze grade an einer Projektarbeit dran. Wir sollen einen Holzspalter konstruieren. Momentan komme ich bei dem Federmechanismus nicht weiter, die Feder soll einen Schalter bestätigen, falls die zu groß wird, um die anderen Bauteil zu schützen. Der Federweg soll maximal sein, Federkonstante habe ich mit bestimmt. Diese Werte habe ich durch also falls, der Gegenhalter(GH) weiter als das Ende fährt. Die Feder soll im Gegenhalter positioniert werden.


Frage: Wie kann ich den Federweg/Federkraft bestimmen, falls zu groß wird. "Gedanken Experiment" zu einem unbestimmter Länge wird der Schalter gedrückt, mal angenommen anstatt Holz wird ein Metall Block verwendet.
Vielleicht Feder Vorspannen?


Weitere Angaben:
n=1000 min^-1= const.
Antriebsmoment:


Vorschubgeschwindigkeit

Bilder:

Was für eine Spindel hast du denn gewählt?
Welche Art von Gewinde? Wirkungsgrad?
Durchmesser?
Steigung?
Welches Biegemoment liegt in der Spindel vor?
Wie kommst du auf 1,6 kW ohne den Wirkungsgrad zu nennen?
Mit konstruktiven Vorschlägen sieht's hier meistens ziemlich schlecht aus;-)
Florian202



Anmeldungsdatum: 10.02.2022
Beiträge: 4

Beitrag Florian202 Verfasst am: 01. Apr 2022 13:26    Titel: Antworten mit Zitat

Trapezgewinde mit der Steigung 8mm
Biegemoment habe ich noch nicht bestimmt(musste ich noch nicht bestimmen ...).
Eigentlich wird die Spindel doch eher axial belastet. Sonst die Massen bewirken ein Biegemoment?

Den Durchmesser habe ich mit 32 mm abgeschätzt (Nachweis erst später).

Wirkungsgrad liegt bei 0.7
Mathefix



Anmeldungsdatum: 05.08.2015
Beiträge: 5281

Beitrag Mathefix Verfasst am: 01. Apr 2022 15:07    Titel: Antworten mit Zitat

Der für die Feder notwendige Bauraum setzt sich zusammen aus der Länge der vollständig komprimiertenFeder und dem Federweg zusammen.

Die Federkonstante hast Du aus der maximalen Kraft und dem maximalen Federweg l_ges bestimmt. Aus Deiner Skizze entnehme ich, dass der Bauraum l_ges ist d.h. der zur Verfügung stehende Federweg ist kleiner und damit wird die Maximalkraft nicht erreicht.

Deine Idee mit der Vorspannung ist gut, da dadurch der notwendige Federweg und damit der erforderliche Bauraum reduziert wird:

Theoretische Betrachtung ohne konstruktive Details.

l_f = Länge der entspannten Feder
l_k = Länge der vollständig komprimierten Feder
l_b = Länge Bauraum
s_v = Vorspannweg
s_f = Federweg
n = Anzahl der Windungen
d = Drahtdurchmesser
s = Steigung der Feder









roycy



Anmeldungsdatum: 05.05.2021
Beiträge: 724

Beitrag roycy Verfasst am: 01. Apr 2022 17:02    Titel: Feder Antworten mit Zitat

Mathefix hat Folgendes geschrieben:
Der für die Feder notwendige Bauraum setzt sich zusammen aus der Länge der vollständig komprimiertenFeder und dem Federweg zusammen.


Deine Idee mit der Vorspannung ist gut, da dadurch der notwendige Federweg und damit der erforderliche Bauraum reduziert wird:

Theoretische Betrachtung ohne konstruktive Details.


Für mich macht eine Feder als Sicherheitseinrichtung gegen Überlast hier überhaupt keinen Sinn.
Es müßte eine Momentenbegrenzung z. B. durch eine Rutschkupplung o.ä. erfolgen.
Frankx



Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 897

Beitrag Frankx Verfasst am: 01. Apr 2022 17:27    Titel: Antworten mit Zitat

1. Es hat seinen Grund, weshalb auf dem Markt so ziemlich alle Holzspalter über Hydraulikzylinder und nicht per Trapezspindel angetrieben werden.

Holzspalter mit Trapezspindel neigen dazu, sich festzufahren, zu verkeilen und dann steht das System unter Druck und kann nicht entspannt werden, weil der Antrieb es nicht mehr schafft, die Spindel rückwärts zu drehen.

Spindelantriebe verwendet man deshalb bei großen erforderlichen Kräften eher ungern. (siehe Baufahrzeuge oder landwirtschaftliches Gerät)

Beim hydraulischem Spalter kann durch Drucküberwachung leicht zwischen Eilgang und Krafthub umgeschaltet werden.
Beim Spindelantrieb wirkt sich die für den Krafthub erforderliche kleine Steigung an der Spindel beim Eilgang ungünstig aus (hohe Drehzahl).


2. Als Feder für den Überlastschutz empfehle ich ein Tellerfederpaket. Das kann steifer und mit kürzerem Federweg ausgelegt werden.


.
Mathefix



Anmeldungsdatum: 05.08.2015
Beiträge: 5281

Beitrag Mathefix Verfasst am: 01. Apr 2022 20:53    Titel: Antworten mit Zitat

Die Frage bezieht sich auf die Federkonstruktion und nicht auf Alternativen.
Es gibt sicher bessere Lösungen wie z.Bsp. der Hydraulik Vorschlag von Frankx, den ich für den praktikabelsten halte.
roycy



Anmeldungsdatum: 05.05.2021
Beiträge: 724

Beitrag roycy Verfasst am: 01. Apr 2022 22:41    Titel: Federweg Antworten mit Zitat

Mathefix hat Folgendes geschrieben:
Die Frage bezieht sich auf die Federkonstruktion und nicht auf Alternativen.
Es gibt sicher bessere Lösungen wie z.Bsp. der Hydraulik Vorschlag von Frankx, den ich für den praktikabelsten halte.


Mit diese Frage war der TE bereits in einem anderen Forum unterwegs.
Der Antrieb "soll" mittes einer Spindel geschehen, so dass die Hydraulik trotz aller Vorteile nicht zur Debatte steht.
Eine Feder nützt also gar nichts.
Florian202



Anmeldungsdatum: 10.02.2022
Beiträge: 4

Beitrag Florian202 Verfasst am: 01. Apr 2022 23:31    Titel: Antworten mit Zitat

Es handelt sich hier um eine Projektarbeit und von der Uni ist nichts anderes Zugelassen als der Spindelbetrieb und der Schutzmechanismus soll durch Federn realisiert werden. Danke, aber für die Vorschläge. smile

Zurück zur Aufgabe Augenzwinkern
Ich habe bisher hin und her gerechnet. Also da der Baum lang ist und damit auch die Führungsstange und damit auch lange Federn bzw. langer Vorspannweg, habe ich mir etwas anderes Überlegt. Im Internet finde ich kaum Federn, die zu meinen System passen.

Da ich 2 Führungsstange habe setzte ich 2 Federn Parallel.
Einsetzung einer Scheibe: Zwischen Gegenhalter und Scheibe werden die Federn vorgespannt. Scheibe fährt um 20mm vor.
Vorteil kleiner Bauraum.
Nachteil: Größere Spindel

Ist diese Ausführung sinnvoll? Damit würde doch jedes Mal der Schalter ausgelöst werden, falls F_v zu groß wird, oder? Hier noch meine Kritzeleien x)



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Mathefix



Anmeldungsdatum: 05.08.2015
Beiträge: 5281

Beitrag Mathefix Verfasst am: 02. Apr 2022 12:20    Titel: Antworten mit Zitat

Florian202 hat Folgendes geschrieben:
Es handelt sich hier um eine Projektarbeit und von der Uni ist nichts anderes Zugelassen als der Spindelbetrieb und der Schutzmechanismus soll durch Federn realisiert werden. Danke, aber für die Vorschläge. smile

Zurück zur Aufgabe Augenzwinkern
Ich habe bisher hin und her gerechnet. Also da der Baum lang ist und damit auch die Führungsstange und damit auch lange Federn bzw. langer Vorspannweg, habe ich mir etwas anderes Überlegt. Im Internet finde ich kaum Federn, die zu meinen System passen.

Da ich 2 Führungsstange habe setzte ich 2 Federn Parallel.
Einsetzung einer Scheibe: Zwischen Gegenhalter und Scheibe werden die Federn vorgespannt. Scheibe fährt um 20mm vor.
Vorteil kleiner Bauraum.
Nachteil: Größere Spindel

Ist diese Ausführung sinnvoll? Damit würde doch jedes Mal der Schalter ausgelöst werden, falls F_v zu groß wird, oder? Hier noch meine Kritzeleien x)


Ich halte die Konstruktion für nicht praktikabel, da

1. Ein erheblicher Anteil der Antriebsleistung zum Aufbau der Federkraft notwendig ist. Um die notwendige Spaltkraft zu erreichen, muss die Antriebsleistung entsprechend erhhöht werden: Unwirtschaftlich.

2. Der Stopvorgangs bei Erreichen der maximale zulässigen Kraft erst am Ende des Federwegs ausgelöst wird.
Sollte die maximal zulässige Kraft vorher erreicht werden - z.Bsp. bei sehr hartem oder inhomogenesn Spaltmaterial - wird der Stopmechanismus nicht aktiviert.

3. Die maximale Dicke des Spaltmaterials wird durch den Federweg limitiert.

Wenn es unbedingt ein Spindelantrieb sein muss, kann die Begrenzung der Spaltkraft sinnvoll nur durch die von roycy vorgeschlagene Rutschkupplung realisiert werden.

Die beste Lösung ist die hydraulische Erzeugung der Spaltkraft mit Begrenzung durch einen Druckwächter, wie von frankx vorgeschlagen.
roycy



Anmeldungsdatum: 05.05.2021
Beiträge: 724

Beitrag roycy Verfasst am: 03. Apr 2022 10:15    Titel: Holzspalter Antworten mit Zitat

Florian202 hat Folgendes geschrieben:
Trapezgewinde mit der Steigung 8mm
Biegemoment habe ich noch nicht bestimmt(musste ich noch nicht bestimmen ...).
Eigentlich wird die Spindel doch eher axial belastet. Sonst die Massen bewirken ein Biegemoment?

Den Durchmesser habe ich mit 32 mm abgeschätzt (Nachweis erst später).

Wirkungsgrad liegt bei 0.7

Vor weiteren Überlegungen zur Motorleistung solltest du dir mal den Wirkungsgrad der Trapezspindel (überschlägig) ausrechnen:
eta = tan phi/ tan (phi+ rho) beim Arbeitshub.
phi = Steigungswinkel des Gewindes
rho = Gewindereibungswinkel
Frankx



Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 897

Beitrag Frankx Verfasst am: 04. Apr 2022 10:56    Titel: Antworten mit Zitat

Ich denke, es macht Sinn, die Feder (Tellerfederpaket) nicht parallel zur Spindel, sondern in Reihe zur Spindel, als letztes Element direkt hinter dem Spaltkeil zu setzen.
Sie wirkt dann ähnlich wie eine Kraftmessdose, kann sehr steif mit kurzem Hub ausgelegt werden.

Die wirksame Spaltkraft am Keil steigt auch nach Abschaltung des Motors auf Grund der Massenträgheiten der Spindel und des Antriebsstranges noch kurzeitig weiter an. Es ergeben sich dadurch kurzzeitige hohe Kraftspitzen (ähnlich wie bei einem Kraftstoß). Die Höhe dieser Kraftspitzen ist auch vom Holz unter dem Keil abhängig. Je fester/steifer das Holz, desto größer die Kraftspitze.

Wenn dann der Holzblock nicht geteilt wurde, sondern der Spaltkeil im Holz verkeilt ist, muss der Spaltkeil durch Rückwärtsdrehung der Spindel aus dem Holzblock gezogen werden können. Die Rückzugskraft ist natürlich wegen der vorangegangenen Kraftspitzen und dem zusätzlichem Übergang von Gleit- zu Haftreibung deutlich größer als die an der Feder eingestellte Abschaltkraft.

Für die Auslegung des Antriebes ist also nicht die gewünschte maximale Spaltkraft (im Abschaltmoment des Antriebes) maßgeblich, sondern der Fall, dass die Spindel unter Haftreibung (Spindel-Mutter) rückwärts gedreht werden muss und der Spaltkeil ebenfalls unter Haftreibung (Keil-Holzblock) aus dem Holz gezogen werden muss.

Daraus ergibt sich, dass der Antrieb bezüglich maximaler Spaltkraft deutlich überdimensioniert werden muss.


.
roycy



Anmeldungsdatum: 05.05.2021
Beiträge: 724

Beitrag roycy Verfasst am: 04. Apr 2022 11:16    Titel: Holzspalter Antworten mit Zitat

Frankx hat Folgendes geschrieben:




Daraus ergibt sich, dass der Antrieb bezüglich maximaler Spaltkraft deutlich überdimensioniert werden muss.


.

Bei einem solch robusten Gerät würde ich ohnehin mit einem Stoßfaktor von ca. 1,5-2 rechnen, um die vielen Unwägbarkeiten zu entschärfen.
Auf Feinheiten wie Massenträgheitsmoment käme es dann nicht mehr an.
Frankx



Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 897

Beitrag Frankx Verfasst am: 04. Apr 2022 12:41    Titel: Antworten mit Zitat

Das ist der Grund, weshalb für solche Anwendungen Hydraulik bevorzugt wird.
Die ist trotz des zusätzlichen Aufwandes kompakter und funktionssicherer.

Beim Spindelantrieb hat man im Abschaltmoment noch kinetische Energie im System (insbesondere Rotationsenergie in der Spindel und im Antriebsstrang) . Die baut sich durch weitere Spaltarbeit auch nach der Abschaltung ab. Daraus ergeben sich die genannten Kraftspitzen und die Neigung zum Festkeilen.

Im hydraulischen System gibt es nach Abschaltung und Schließen der entsprechenden Ventile keine nennenswerte kinetische Energie mehr im System.



.
roycy



Anmeldungsdatum: 05.05.2021
Beiträge: 724

Beitrag roycy Verfasst am: 04. Apr 2022 17:02    Titel: Holzspalter Antworten mit Zitat

Frankx hat Folgendes geschrieben:
Das ist der Grund, weshalb für solche Anwendungen Hydraulik bevorzugt wird.
Die ist trotz des zusätzlichen Aufwandes kompakter und funktionssicherer.

Beim Spindelantrieb hat man im Abschaltmoment noch kinetische Energie im System (insbesondere Rotationsenergie in der Spindel und im Antriebsstrang) . Die baut sich durch weitere Spaltarbeit auch nach der Abschaltung ab. Daraus ergeben sich die genannten Kraftspitzen und die Neigung zum Festkeilen.

Im hydraulischen System gibt es nach Abschaltung und Schließen der entsprechenden Ventile keine nennenswerte kinetische Energie mehr im System.



.

Das ist hat eine Uni- Aufgabe. Um die Nachlaufprobleme zu vermeiden/reduzieren würde ich einen Bremsmotor (oder Verschiebeankermotor) einsetzen.
Frankx



Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 897

Beitrag Frankx Verfasst am: 04. Apr 2022 17:58    Titel: Antworten mit Zitat

Zitat:
Das ist hat eine Uni- Aufgabe.


Das ist mir bewusst.
Ich wollte dem TS aber noch ein paar Hintergrundinfos als Argumentationshilfe für die Verteidigung zukommen lassen.


Zitat:
Um die Nachlaufprobleme zu vermeiden/reduzieren würde ich einen Bremsmotor (oder Verschiebeankermotor) einsetzen.

Ein Bremsmotor dürfte zu träge sein, um das Problem zu lösen.
Im Ernstfall steigt die Kraft sehr schnell und das Werkzeug ist verkeilt, bevor die Bremse wirken kann.

Es hilft also nur eine entsprechend großzügige Dimensionierung.

.
roycy



Anmeldungsdatum: 05.05.2021
Beiträge: 724

Beitrag roycy Verfasst am: 04. Apr 2022 18:15    Titel: Holzspalter Antworten mit Zitat

Frankx hat Folgendes geschrieben:
Zitat:
Das ist hat eine Uni- Aufgabe.




Zitat:
Um die Nachlaufprobleme zu vermeiden/reduzieren würde ich einen Bremsmotor (oder Verschiebeankermotor) einsetzen.


Ein Bremsmotor dürfte zu träge sein, um das Problem zu lösen.
Im Ernstfall steigt die Kraft sehr schnell und das Werkzeug ist verkeilt, bevor die Bremse wirken kann.

Es hilft also nur eine entsprechend großzügige Dimensionierung.

.

Grundsätzliche Zustimmung.
Es ist bei einer Motordrehzahl von ca. 1000 1/min ja ein Getriebe erforderlich.
Welche Übersetzng braucht der TE deiner Meinung nach?
Das MTM reduziert sich auf den Motor bezogen ja um 1/i².
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