Presentation Transcript

1. 5. Speicherelemente für mechanische Energie Als Energiespeicher bezeichnet man solche Bauelemente/Baugruppen, die die Parameter der Energie nicht ändern, d.h. die Energieart ist beim Laden und Entladen des Speichers unverändert, lediglich die Richtung des Energieflusses ist entgegengesetzt. • Bei der mechanischen Energie betrifft dies die Parameter : • Kraft und Weg (Gewicht und Höhe), • Massenträgheitsmoment und Winkelgeschwindigkeit und • Druck und Volumen Diese Baugruppen werden als Massespeicher, Federn, Schwungräder und Druckkessel realisiert. Verlustleistung Q F1;S1 (Energieform 1) F2;S2 (Energieform 1) Speicher J2;2 (Energieform 2) J1;1 (Energieform 2) p2;V2 (Energieform 3) p1;V1 (Energieform 3) WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Maschinentechnik – 5. Speicherelemente

2. m 5.1. Massen Jeder Massepunkt besitzt auf Grund seiner Lage im Gravitationsfeld der Erde eine bestimmte potentielle Energie: Der nutzbare Energiebetrag eines Masse-Speichers beträgt : ( Uhrgewichte, Pendel ) ( Pumpspeicher- und Wasserkraftwerke ) Vorteil: Die Masse erzeugt an der Welle ein konstantes Antriebsmoment. h Bei gespeicherter Energie wird die Arbeit W angegeben, die am Speicher verrichtet wird und danach als Energie zur Verfügung steht. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Maschinentechnik – 5. Speicherelemente

3. F progressiv linear degressiv f 5.2 Elastische Federn Als elastische Federn bezeichnet man Maschinenelemente, die auf Grund ihrer Formgebung und unter Verwendung hochelastischer Werkstoffe in der Lage sind, bei ihren elastischen Form-änderungen mechanische Arbeit in potentielle Energie umzuformen, zu speichern und wieder in mechanische Arbeit zurück zu verwandeln. Man unterscheidet : Formfedern ( Metalle, Holz ) und Stofffedern ( Gummi, Luft ) Die Eigenschaft der Feder wird durch ihre Kennlinie beschrieben. Die speicherbare Energiemenge entspricht der Fläche unter der Kennlinie. Für eine lineare Feder ergibt die Lösung des Integrals: c: Federsteife Die Federsteife (Federhärte) ist abhängig vom Werkstoff und den Abmessungen der Federelemente. Für nicht lineare Federn gilt : (statt dem Differentialquotienten wird der Differenzenquotient gesetzt) WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Maschinentechnik – 5. Speicherelemente

4. Werden Federn parallel geschaltet, gilt: Werden Federn in Reihe geschaltet, gilt : Durch innere und/oder äußere Reibung haben die Federn eine Dämpfung D, d.h. die gespeicherte Energie wird nicht voll als mechanische Energie zurückgegeben. Die Differenz wird in Wärme umgewandelt. Sie wird folgendermaßen berechnet: Wa : aufgenommene Energiemenge Wz : zurückgegebene Energiemenge Federarten Die Einteilung erfolgt nach der Beanspruchung des Werkstoffs 1. Biegefedern stabförmig: Blattfeder WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Maschinentechnik – 5. Speicherelemente

5. Der Querschnitt des Materials wird auf Torsion belastet. 2. Biegefedern gewunden : Spiralfeder, Schenkelfeder 3. Verdrehfedern: Schraubenfeder Drehstabfeder WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Maschinentechnik – 5. Speicherelemente

6. m r 5.3 Schwungräder Schwungräder sind Speicher für kinetische Energie. Die gespeicherte Energiemenge ist proportional dem Quadrat der Drehzahl und dem Quadrat des Radius des Schwungrades. J: Massenträgheitsmoment in kgm² Entsprechend den physikalischen Gesetzmäßigkeiten wird die Schwungradmasse möglichst im Rad-kranz konzentriert ( bis ca. 90 % der Gesamtmasse des Rades ) und die Drehzahl möglichst so hoch gewählt, wie es die Zugfestigkeit der verwendeten Werkstoffe zulässt ( Wirkung der Zentrifugalkräfte). Neben Stahl werden auch moderne Verbundwerkstoffe eingesetzt ( Glas- und Kohlefasern ). Anwendung als Energiespeicher für Belastungsspitzen periodisch arbeitender Maschinen z.B. bei Kurbelpressen, Verbrennungsmotoren, Dampfmaschinen. Hinweis: Jedes rotierende Maschinenteil speichert bei Drehzahlerhöhung Energie und gibt sie bei Drehzahlerniedrigung wieder ab (Schwungmoment). WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Maschinentechnik – 5. Speicherelemente

7. 5.4 Druckbehälter Zum Speichern mechanischer Energie kann auch die Kompressibilität der Gase und Dämpfe ausge-nutzt werden, indem diese in einem abgeschlossenem System unter erhöhten Druck gesetzt werden. Die gespeicherte Energiemenge E ergibt sich aus dem Volumen V und dem in ihm herrschenden Überdruck pÜ. V pÜ Anwendung: • Druckanlassflaschen für Großdiesel-Motoren • Druckluftbehälter für pneumatische Bremsanlagen für Lkw und Schienenfahrzeuge • Speicher für Druckluft-Grubenlokomotiven • Speicher in hydraulischen und pneumatischen Anlagen • Windkessel an Kolben-Pumpen • Luftfedern WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Maschinentechnik – 5. Speicherelemente