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Springer Vieweg - Maschinenbau - Roloff Matek | Roloff Matek Maschinenelemente Journals, Academic Books & Online Media

Fragen zum Kapitel 13

Frage 13.1 

In Form von Prinzipskizzen sind die zwei grundsätzlich möglichen Formen der Kraftübertragung mittels Kupplungen darzustellen. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Bild 13-3 und Abschn. 13.3 und 13.4.

Antwort zur Frage 13.1 

Die zwei grundsätzlichen Formen sind die formschlüssige und die kraftschlüssige Kupplung. S. z.B. Lehrbuch Bild 13-11 (Formschluss) und 13-9 (Kraftschluss).

Frage 13.2 

Wie unterscheiden sich stoßdämpfende und stoßmildernde Kupplungen? Nennen Sie je zwei typische Vertreter. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 13.1.

Antwort zur Frage 13.2 

Stoßdämpfende Kupplungen: Durch elastische Elemente in der Kupplung wird die Schwingungsamplitude verringert und durch Reibung ein Teil der gespeicherten Energie in Wärme umgesetzt. Typische Vertreter sind elastische Kupplungen mit Gummielementen, z. B. die elastische Klauenkupplung und die hochelastische Wulstkupplungen. - Stoßmildernde Kupplungen: Die Verdrehenergie wird in der Kupplung kurzzeitig gespeichert und zeitversetzt wieder abgegeben. Hierdurch werden die Schwingungsamplituden verkleinert. Typische Vertreter sind die Metallbalgkupplung und die Schraubenfederkupplung.

Frage 13.3 

Welche Drehmomente sind bei der Auswahlberechnung von Kupplungen zu unterscheiden? - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 13.2.

Antwort zur Frage 13.3 

(1) Nachgiebige Kupplungen: Nenndrehmoment: Das im gesamten Drehzahlbereich dauerhaft übertragbare Moment der Kupplung (gleich Baugröße der Kupplung).Maximaldrehmoment: Das kurzzeitig mehr als 100.000 mal als schwellender Drehmomentstoß im gleichen Drehsinn oder mehr als 50.000 mal als wechselnder Drehmomentstoß übertragbare Kupplungsmoment. Dauerwechseldrehmoment: Das als Ausschlag der dauernd zulässigen periodischen Drehmomentschwankung bei einer Frequenz von 10 Hz und einer Grundlast bis zum Nenndrehmoment übertragbare Kupplungsmoment. - (2) Schaltkupplungen. Schaltbares Drehmoment: Nenndrehmoment, das bei schlupfender Kupplung, also während des Anlaufs, weitergeleitet werden kann. Übertragbares Drehmoment. Mit diesem Moment kann die Kupplung belastet werden, ohne das Schlupf auftritt.

Frage 13.4 

Wie ist die Trägheit der nach einer Kupplung angeordneten und zu bewegenden Massen auf die Kupplung zu beziehen? - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 13.2.

Antwort zur Frage 13.4 

Für die nach der Kupplung angeordneten und zu bewegenden Massen sind auf die Kupplungswelle reduzierte Trägheitsmomente Jred zu bilden, wobei für rotierende Massen Jred = J · (ω/ω0)2 bzw. für geradlinig bewegte Massen Jred = J · (v/ω0)2 gilt.

Frage 13.5 

Mindesten 3 nichtschaltbare starre Kupplungen sind zu nennen. Ihr Grundaufbau ist zu skizzieren und die Einbauforderungen bezüglich der zu verbindenden Wellen sind zu beschreiben. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 13.1.1.

Antwort zur Frage 13.5 

Beispiele für nichtschaltbare starre Kupplungen sind: (1) Scheibenkupplung, Grundaufbau: Die zwei Kupplungshälften sind gegenseitig zentriert und werden mit Passschrauben gegeneinander verschraubt. Hierdurch werden die Drehmomente reibschlüssig übertragen. Einbauforderungen: Übergangspassung (N7/h8 bzw. H7/k6) bei Passfederverbindung, bei stoßhaften wechselseitigen Drehmomenten oder Wellen größer d = 100 mm Pressverband. Kleine axiale Verschiebung der Bauteile beim Ein- und Ausbau, bei Form B mit geteiltem Zentrierring keine axiale Verschiebung erforderlich. - (2) Schalenkupplung, Grundaufbau: Die zwei Schalenhälften werden über die zu verbindenden Wellenenden gelegt und reibschlüssig mit diesen durch die in Taschen angeordnete Schrauben verspannt. Ab 55 mm Wellendurchmesser sind zusätzlich Passfedern zur Übertragung der Momente vorgesehen. Einbauforderungen: Einfacher Ein- und Ausbau ohne axiale Verschiebung der Wellen. - (3) Stirnzahnkupplung, Grundaufbau: Wellenende und Bauteil (Nabe) haben eine Stirnverzahnung. Die hohl ausgebildete Nabe wird durch eine zentrisch angeordnete Schraube mit dem Wellenende axial verspannt. Einbauforderungen: Gleiche Stirnverzahnung (Hirthverzahnung) am Wellenende und dem zu befestigenden Bauteil. Kleine axiale Verschiebung der Bauteile beim Ein- und Ausbau erforderlich.

Frage 13.6 

Die möglichen Wellenverlagerungen, die nachgiebige Kupplungen ausgleichen können, sind darzustellen. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 13.3 und Bild 13-1.

Antwort zur Frage 13.6 

S. Lehrbuch Bild 13-1: Wellenverlagerungen in axialer Richtung (Bild 13-1a), in radialer Richtung (Bild 13-1b) und winkliger Versatz (Bild 13-1c) können ausgeglichen werden.

Frage 13.7 

Mindestens 3 nichtschaltbare elastische Kupplungen sind zu nennen und ihr Grundaufbau ist zu skizzieren. Welcher grundsätzlichen Art können hierbei die elastischen Glieder entsprechen? - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 13.3.2.

Antwort zur Frage 13.7 

Beispiele für nichtschaltbare elastische Kupplungen sind: (1) Schlangenfederkupplung (Metallelastische Kupplung), Grundaufbau: Beide Kupplungshälften sind durch ein in Nuten schlangenförmig eingelegtes Metallband miteinander verbunden. Das Metallband wirkt als Biegefeder. – (2) Hadeflexkupplung (Gummielastische Kupplung), Grundaufbau: Zwischen die Klauen der beiden Kupplungshälften wird ein elastischer Stern aus Perbunan gelegt (Gummifeder), der auf Druck beansprucht wird. – (3) Hochelastische Zwischenringkupplung, Grundaufbau: Ein zwischen den Kupplungshälften angeordneter Gummiring wird wechselseitig mit der jeweiligen Kupplungshälfte verschraubt. Der Gummiring wirkt wie eine Gummi-Torsionsfeder. - Die elastischen Zwischenglieder sind metallische oder Gummifedern. Metallische Federn ohne äußere Reibflächen wirken stoßmildernd. Die Stoßenergie wird gespeichert und zeitversetzt mit kleinerer Amplitude wieder abgegeben. Beispiel: Cardeflex-Kupplung. Metallische Federn mit äußeren Reibflächen und Gummifedern wirken stoßdämpfend. Ein Teil der Stoßenergie wird durch äußere bzw. innere Reibung in Wärme umgewandelt. Beispiele: Schlangenfederkupplung, elastische Bol-zenkupplung.

Frage 13.8 

Die Kreuzgelenkwelle ist bezüglich des Aufbaus, der Wirkungsweise, der Vor- und Nachteile sowie der Einbaubedingungen zu beschreiben. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 13.3.2.

Antwort zur Frage 13.8 

Kreuzgelenkwelle, Aufbau: Sie besteht aus zwei Wellengelenken, die über eine Zwischenwelle, die einen Längenausgleich haben kann, miteinander verbunden sind. Wirkungsweise (s. Lehrbuch Bild 13-16): Die Wellenenden sind als Gabeln ausgebildet. Das in den Gabeln mit Nadellagern gelagerte Kreuz ermöglicht eine Ablen-kung bis 45°. Vorteile: Große Ablenkwinkel bis 45° sind realisierbar. Mit verschiebbarer Zwischenwelle sind größere Längenausgleiche realisierbar, Übertragung großer Drehmomente möglich. Nachteile: Die Zwischenwelle läuft ungleichförmig (Kardanfehler). Einbaubedingungen: Alle Wellenteile müssen in einer Ebene liegen, die Ablenkwinkel beider Gelenke müssen gleich groß sein und die inneren Gelenkgabeln müssen in einer Ebene liegen.

Frage 13.9 

Eine typische formschlüssige Schaltkupplung ist zu beschreiben. Dabei sind die Schaltbedingungen zu nennen. -Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 13.4.1.

Antwort zur Frage 13.9 

Eine typische formschlüssige Schaltkupplung ist die schaltbare Zahnkupplung. Bei dieser sitzt das Kupplungszahnrad fest auf der Welle. Die zu kuppelnden Zahnräder mit seitlich befestigten Kupplungszahnkranz sind lose (kugelgelagert) daneben links und rechts angeordnet. Eine innenverzahnte Kupplungsmuffe, die sich im nichtgekuppelten Zustand auf dem Kupplungszahnrad befindet, wird beim Kuppeln mit einer Schaltgabel auf den Kupplungszahnkranz des zu kuppelnden Zahnrads geschoben und verbindet damit das Zahnrad mit dem Kupplungszahnrad. Das Schalten kann nur im Ruhezustand oder bei Synchronlauf der zu kuppelnden Zahnräder erfolgen.

Frage 13.10 

Der Begriff Sicherheitskupplung ist zu erläutern. Die zwei grundsätzlichen Ausführungsformen sind zu beschreiben. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 13.4.2 und 13.3.2.

Antwort zur Frage 13.10 

Sicherheitskupplungen werden durch das zu übertragende Moment betätigt, d.h. sie verhindern, dass das eingestellte Drehmoment überschritten wird. Bei formschlüssigen Sicherheitskupplungen wird der Kraftfluss ganz unterbrochen, bei reibschlüssigen Sicherheitskupplungen wird der Kraftfluss auf das schaltbare (eingestellte) Drehmoment begrenzt. - Formschlüssige Kupplungen: Typische Möglichkeiten für die Trennung der beiden Kupplungshälften sind Brechbolzen als Sollbruchstelle bzw. Kugeln oder Bolzen als Sperrkörper, die bei Überschreiten des eingestellten Drehmoments die Kupplungshälften trennen. - Reibschlüssige Sicherheitskupplungen: In der Regel dient die Anpresskraft auf die Reibflächen der Kupplung zum Einstellen des Rutschmoments.

Frage 13.11 

Anhand einer Lamellenkupplung ist das Prinzip einer kraftschlüssigen Schaltkupplung zu erläutern. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 13.4.

Antwort zur Frage 13.11 

Prinzip einer kraftschlüssigen Schaltkupplung anhand der Lamellenkupplung: Auf beiden Kupplungshälften sind Reibflächen angeordnet, die über einen Schaltmechanismus aneinandergepresst werden. Durch die Reibung zwischen den Reibflächen erfolgt die Mitnahme der abtriebsseitigen Kupplungshälfte. Bei der Lamellenkupplung hat die eine Kupplungshälfte Außenverzahnung, auf der Reiblamellen aufgesteckt sind. Die andere topfförmige Kupplungshälfte hat Innenverzahnung, auf der ebenfalls Reiblamellen sitzen. Die abwechselnd angeordneten Reiblamellen werden über einen Schaltmechanismus gegeneinander gepresst, sodass ein Kraftreibschluss entsteht.

Frage 13.12 

Die Phasen des Schaltvorgangs einer kraftschlüssigen Schaltkupplung sind in einem Drehzahl-Zeit-Diagramm darzustellen. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 13.2.6.

Antwort zur Frage 13.12 

S.Lehrbuch Bild 13-8b: Nach einer bauartbedingten Verzögerungszeit t11 beginnt die Antriebsseite die Lastseite zu beschleunigen. Während der Rutschzeit tR = t2 – t1 gleiten die Reibflächen der Kupplung mit der relativen Winkelgeschwindigkeit ωA – ωL aufeinander. Hierbei entsteht Reibwärme, die abgeführt werden muss.

Frage 13.13 

In Zusammenhang mit einer Schaltkupplung sind die Begroffe synchron schaltbar und asynchron schaltbar zu definieren. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 13.4.

Antwort zur Frage 13.13 

Synchron schaltbar: Beide Kupplungshälften müssen vor dem eigentlichen Kuppeln in Gleichlauf (Synchronlauf) oder annähernd Stillstand und in eine bestimmte Stel-lung zueinander gebracht werden. - Asynchron schaltbar: Die Kupplung ist auch bei unterschiedlichen Drehzahlen der beiden Kupplungshälften schaltbar.

Frage 13.14 

Welche Bedeutung haben drehrichtungsabhängige Kupplungen? Ihre Wirkungswei-se ist anhand von zwei verschiedenen Bauformen zu beschreiben. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 13.4.4.

Antwort zur Frage 13.14 

Drehrichtungsabhängige Kupplungen (Freilaufkupplungen) werden überall dort eingesetzt, wo die Antriebsseite die Abtriebsseite nur in einer Richtung mitnehmen soll. Anwendungen sind Schrittschaltwerke in Vorschubeinrichtungen von Verpackungsanlagen oder Montagebändern, Rücklaufsperren bei Pumpen und Becherwerken, Überholkupplung in Zweimotorenantrieben zur Trennung des Hilfsantriebs vom Hauptantrieb. - Klinkenfreilauf: Klinkenfreilaufkupplungen haben gezahnte Sperrräder und Klinken an der anderen Kupplungshälfte. Die Klinken fallen durch ihr Eigengewicht oder Federbelastung selbsttätig in das Sperrrad ein und nehmen dieses nur in einer Richtung mit. - Klemmrollenfreilauf: Auf dem Innenring der einen Kupplungshälfte sind Klemmrollen oder Klemmkörper angeordnet, die sich zwischen dem Innenring und dem glockenförmigen Außenring der anderen Kupplungshälfte in einer Drehrichtung verklemmen, in der anderen Drehrichtung aber Spiel zwischen Innen- und Außenring lassen.

Frage 13.15 

Welche Kupplungen sind als Bremsen geeignet und worin besteht der grundsätzliche Unterschied zu Kupplungen? - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 13.6.

Antwort zur Frage 13.15 

Alle kraftschlüssigen Kupplungen sind als Bremsen geeignet. Der grundsätzliche Unterschied besteht darin, dass die eine Bremsenhälfte fest mit dem Maschinen- oder Anlagengehäuse verbunden wird und die andere Bremsenhälfte gegen diese beim Kuppeln abgebremst wird (bei der Kupplung rotieren beide Kupplungshälften).

Frage 13.16 

Welche unterschiedlichen Anforderungen bestehen an eine Stopp-, Halte- und Regelbremse? Nennen Sie hierzu Bremsenarten. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 13.6.

Antwort zur Frage 13.16 

Haltebremse: Sie dient zum Halten im Stillstand. Damit kann sie für größere Anpresskräfte (Bremskräfte) bei kleineren zulässigen Verschleißwegen (geringe zulässige Reibleistung) ausgelegt werden. Aus Sicherheitsgründen sollte das Haltemoment mindestens doppelt so groß sein wie das erforderliche Bremsmoment. Beim Einsatz als Stoppbremse kann es zum Überhitzen kommen. Bremsarten: Alle Reibungsbremsen. - Stoppbremse: Sie dient zum Abbremsen einer Maschine bzw. Anlage bis zum Stopp. Gegenüber Haltebremsen müssen die Anpresskräfte kleiner gehalten werden. Es tritt eine höhere Wärmebelastung auf. Bremsarten: Scheiben- und Backenbremsen. - Regelbremse: Sie dient zur Geschwindigkeitsregulierung. Die sehr hohe Wärmebelastung erfordert z.T. sehr aufwendige Wärmeabführsysteme. Bremsarten: Induktionsbremse, Strömungsbremse, Wasserwirbelbremse. - Je nach Betriebsart werden die Bremsen unterschiedlich wärmebelastet, was die Auslegung der Bremse stark beeinflusst.

Frage 13.17 

Bei den mechanischen Bremsen lösen Scheibenbremsen zunehmend Band- und Trommelbremsen ab. Nennen Sie Gründe hierfür. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 13.6.

Antwort zur Frage 13.17 

Scheibenbremsen besitzen ein kleineres Massenträgheitsmoment, benötigen einen kleineren Bauraum, besitzen eine gute Wärmeabführung (bei hoher Wärmebelastung auch mit belüfteter Bremsscheibe), die beträchtlich höheren zulässigen Flächenpressungen führen zu einer geringeren Streuung der Reibungszahl (exakteres Bremsen), die Reibbeläge sind schneller austauschbar.

Frage 13.18 

Wie unterscheidet sich die Berechnung des Bremsmoments vom Kupplungsmoment? Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 13.6.

Antwort zur Frage 13.18 

Die Berechnung des (schaltbaren) Bremsmoments unterscheidet sich nur in folgen-den Punkten von dem des (schaltbaren) Kupplungsmomentes: Die Winkelgeschwindigkeit auf der Abtriebsseite ist bei der Bremse immer Null (ωL0 = 0). Das Lastdrehmoment kann bei der Bremse positiv oder negativ sein (bei der Kupplung immer positiv).

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