Federweg und Federkraft

Florian202 · Anmeldungsdatum: 10.02.2022 Beiträge: 4

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:

roycy · Anmeldungsdatum: 05.05.2021 Beiträge: 961

Florian202 · Anmeldungsdatum: 10.02.2022 Beiträge: 4

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: 5866 Wohnort: jwd

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: 961

Frankx · Anmeldungsdatum: 04.03.2015 Beiträge: 982

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.

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Mathefix · Anmeldungsdatum: 05.08.2015 Beiträge: 5866 Wohnort: jwd

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: 961

Florian202 · Anmeldungsdatum: 10.02.2022 Beiträge: 4

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)

Mathefix · Anmeldungsdatum: 05.08.2015 Beiträge: 5866 Wohnort: jwd

roycy · Anmeldungsdatum: 05.05.2021 Beiträge: 961

Frankx · Anmeldungsdatum: 04.03.2015 Beiträge: 982

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.

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roycy · Anmeldungsdatum: 05.05.2021 Beiträge: 961

Frankx · Anmeldungsdatum: 04.03.2015 Beiträge: 982

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.

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roycy · Anmeldungsdatum: 05.05.2021 Beiträge: 961

Frankx · Anmeldungsdatum: 04.03.2015 Beiträge: 982

roycy · Anmeldungsdatum: 05.05.2021 Beiträge: 961