Übungsaufaufgaben Antriebe PDF

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Aufgabe 1: Gegeben ist der folgende Schaltplan:

Folgende Daten sind bekannt: Einstelldruck am DBV 2 Hydraulisch – mechanischer Wirkungsgrad der Pumpe 2 Volumetrischer Wirkungsgrad der Pumpe 2 Hubvolumen der Pumpe 2 Zähnezahl Z1 Zähnezahl Z2 Schluckvolumen des Motors Hydraulisch – mechanischer Wirkungsgrad des Motors Volumetrischer Wirkungsgrad des Motors Volumetrischer Wirkungsgrad der Pumpe1 Hydraulisch – mechanischer Wirkungsgrad der Pumpe 1 Volumenstrom Durchflussbeiwert Dichte des Öls

p DBV2 hhm,P2 hvol,P2 VP2 Z1 Z2 VM hhm,M hvol,M hvol,P1 hhm,P1 Q1 aD rÖl

= 120 bar = 0,93 = 0,96 = 45 cm³ = 32 = 18 = 65 cm³ = 0,94 = 0,95 = 0,97 = 0,98 = 60 l/min = 0,7 = 880 kg/m³

a) Berechnen Sie das Motormoment MM. Hinweis: QDBV1 = 0. b) Berechnen Sie die Antriebsleistung der Pumpe P1. gegeben: MM = 150 Nm c) Zur Schmierung des Zahnradgetriebes soll ein Schmiervolumenstrom von QD = 1,2 l/min über die Drossel zur Verfügung stehen. Legen Sie hierfür den Drosseldurchmesser dD aus. gegeben: Dp1 = Dp M = 150 bar d) Berechnen Sie den Volumenstrom Q2. Hinweis: QD = 1,2 l/min. e) Welche sinnvollen Möglichkeiten haben Sie als Bediener der Anlage, den Hydraulikmotor zum Stillstand zu bringen, wenn der Elektromotor weiterhin die Pumpe 1 antreibt?

Richtig

falsch

Erhöhen des Einstelldrucks pDBV1 :





Erhöhen des Einstelldrucks pDBV2 :





Verschließen der Drossel (dD=0):





Senken des Einstelldrucks pDBV1:

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

Aufgabe 2: Der Fahrantrieb eines Feldroboters („Spielzeugfahrzeug“) erfolgt durch einen permanent erregten Gleichstrommotor. Die Antriebsräder werden direkt vom Motor angetrieben (ohne Getriebe). Folgende technische Daten sind bekannt: gegeben: E-Motor:

Fahrzeug:

- RA - UN - IN

= 0,5 W = 12 V =4A

- Radradius - Nenngeschwindigkeit

r = 5 cm vN= 3,6 km/h (bei Nenndrehzahl des Motors)

Der Motor wird mit Nennspannung (UKl = UN) betrieben: Berechnen Sie folgende Größen: a) die elektrische Leistung Pelektr, die im Nennbetrieb vom Motor aufgenommen wird b) das Nennmoment MN des Motors c) das maximale Abtriebsmoment Mmax des Motors; gegeben: MN = 2,5 Nm (Hinweis: das maximale Abtriebsmoment wird erreicht, wenn sich die Antriebsräder aufgrund von hohen Fahrwiderständen nicht mehr drehen n = 0) d) die Leerlaufdrehzahl n0 des Motor; gegeben: MN = 2,5 Nm Um den Feldroboter auch mit kleinen Geschwindigkeiten fahren zu können, soll die Klemmenspannung UKl variiert werden. e) Berechnen Sie die Klemmenspannung UKl für eine Leerlaufdrehzahl des Motors von n 0 = 70 min -1; gegeben: MN = 2,5 Nm

Aufgabe 3: Betrachtet wird ein Gleichstrommotor mit der dargestellten Erregerwicklung. Wie verhalten sich die folgenden Größen, wenn das Abtriebsmoment MM des Motors ansteigt? (Achtung: Falsche Antworten führen innerhalb dieser Aufgabe zu Punktabzug)

wird größer

bleibt gleich

wird kleiner

Ankerkreiswiderstand RA

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Ankerstrom IA

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Motordrehzahl nM

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Magnetische Fluss F

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

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Aufgabe 4: Gegeben ist der folgende Schaltplan und die Durchflusskennlinie des Wegeventils: Folgende Daten sind bekannt: Einstelldruck am DBV Kolbendurchmesser Federkonstante Antriebsmotordrehzahl Hubvolumen d. Pumpe Wärmedurchgangszahl Umgebungstemperatur Anlagenoberfläche Wirkungsgrade: Pumpe Zylinder

pDBV dK c nP VP k uUmg A

= = = = = = = =

70 bar 10 cm 50000 N/m 1450 min -1 74 cm³ 15 W/(K m²) 20 °C 10 m²

hhm,P = 0,92 hVol,P = 0,93 h,Zyl,ges = 1

Leitungs- und Ventilverluste: - Nur die Durchflussverluste des Wegeventils sind zu berücksichtigen (siehe Diagramm). - Alle weiteren Leitungs- und Ventilverluste können vernachlässigt werden. Hinweis: In der Position x = 0 (Zylinder eingefahren) ist die Feder vollständig entspannt. Berechnen Sie folgende Größen: a) die maximale Kolbengeschwindigkeit des Zylinders vmax (Hinweis: der ganze Pumpenvolumenstrom QP fließt zum Zylinder) b) den maximalen Kolbenweg des Zylinders xmax c) den Anlagenwirkungsgrad hges für die Kolbenposition x = 50 cm, wenn das Stromregelventil auf 70 l/min eingestellt ist; gegeben: QP = 100 l/min d) die maximale Öltemperatur uÖl, max, die sich ergibt, wenn der maximale Kolbenweg des Zylinders x max erreicht ist und die Anlage lange Zeit weiterläuft; gegeben: QP = 100 l/min

Aufgabe 5: Zum Antrieb einer elektrischen Schiebetür wird ein permanent erregter Gleichstrommotor eingesetzt, der mit Nennspannung UN betrieben wird. gegeben: -1 min

PN = 20 W

U N = 12 V

I N = 2,1 A

n N = 1500

Berechnen Sie für den gegebenen Motor: a) das Nennmoment MN b) den Ankerkreiswiderstand RA , wenn das maximale Drehmoment im Blockierfall Mmax = 0,5 Nm betragen darf; gegeben: MN = 0,14 Nm Aufgabe 6: Gegeben ist der folgende Schaltplan zum Betrieb eines Teleskopzylinders. - Hinweise: - Leitungsverluste sind zu vernachlässigen - Drosselverluste sind zu berücksichtigen - Die Durchflussverluste am 3/2 – Wegeventil können mit konstant 3 bar angenommen werden

Folgende Daten sind bekannt: - Pumpe:

- Teleskopzylinder:

- Ventile:

-

Hubvolumen Antriebsdrehzahl hydraulisch–mech. Wirkungsgrad volumetrischer Wirkungsgrad Kolbenfläche des Teilkolbens 1 Kolbenfläche des Teilkolbens 2 Hub der Teilkolben 1 und 2 (h1 = h 2 ) hydraulisch–mech. Wirkungsgrad volumetrischer Wirkungsgrad Masse Einstelldruck am DBV Durchflussbeiwert der Verstelldrossel max. Drosselquerschnitt Dichte des Öls

VP nP hhm,P hvol,P A1 A2 h1,2 hhm,Zyl hvol,Zyl m p DBV aD AD,max r

= = = = = = = = = = = = = =

45 750 0,98 0,93 50,3 28,3 30 0,95 1 5000 230 0,7 11,1 880

cm³ min-1 cm² cm² cm kg bar mm² kg/m³

Gegeben ist zunächst folgende Betriebssituation: Der Teleskopzylinder ist eingefahren und soll in kürzester Zeit voll ausgefahren werden, die Verstelldrossel ist vollständig geöffnet (AD = A D,max). Der ganze Pumpenvolumenstrom QP fließt zum Teleskopzylinder. Berechnen Sie hierfür: a) … die Hubzeit t Hub,min b) … den maximalen Pumpendruck p P,max; gegeben: QP = 31 l/min c) … die maximale Pumpenantriebsleistung PP,max ; gegeben: p P,max = 205 bar, Q P = 31 l/min d) … den Anlagenwirkungsgrad h ,ges ( nur beim Ausfahren des Teilkolbens 2); gegeben: PP,max = 11,5 kW, QP = 31 l/min Die Verstelldrossel soll so eingestellt werden, dass beim Ausfahren des Teilkolbens 1 gerade noch der gesamte Pumpenvolumenstrom QP von 31 l/min zum Teleskopzylinder fließen kann. e) Wie groß ist in diesem Fall der Drosselquerschnitt AD? f) Wie groß ist die Geschwindigkeit vZyl des Teilkolbens 2 bei dieser Drosseleinstellung? Gegeben: AD = 4,25 mm² Aufgabe 7: Gegeben ist der folgende schematische Schaltplan für einen hydrostatischen Antrieb mit größerer Entfernung zwischen Pumpe und Motor:

1

- Hinweis:

2

Die Durchflussverluste am Wegeventil DpV,W können mit konstant 5 bar angenommen werden. Die Strömungsverluste in der langen Rohrleitung DpV,R können mit konstant 15 bar angenommen werden.

Folgende Daten sind bekannt: - Pumpe:

- Motor:

-

Hubvolumen Antriebsdrehzahl hydraulisch–mech. Wirkungsgrad volumetrischer Wirkungsgrad Abtriebsdrehzahl Abtriebsleistung hydraulisch–mech. Wirkungsgrad

V1 n1 hhm,1 hvol,1 n2 P2 hhm,2

= = = = = = =

30 cm³ 2300 min-1 0,85 0,9 -1 1450 min 20 kW 0,9

- Anlage allg.:

-

volumetrischer Wirkungsgrad Dichte des Öls Umgebungstemperatur Wärmedurchgangszahl W/(m² K) Anlagenoberfläche

hvol,2 r uUmg k

= = = =

0,9 880 20 11

kg/m³ °C

A

=

18

m²

a) Wie groß ist das Schluckvolumen V2 des Motors 2? b) Der Motor 2 hat eine Abtriebsleistung P2 von 20 kW. Welche Druckdifferenz Dp2 stellt sich am Motor ein? Gegeben: V2 = 39 cm³ c) Wie groß ist die Antriebsleistung der Pumpe P1 ? Gegeben: Dp2 = 235 bar, Q1 = 63 l/min d) Welche Öltemperatur uÖl stellt sich im stationären Dauerbetrieb der Anlage nach langer Zeit ein, wenn die Abtriebsleitung des Motors 2 konstant 20 kW beträgt? Gegeben: P1 = 33 kW Aufgabe 8: Um das Hydrauliköl in einem großen Ölbehälter vor dem Einschalten der Anlage auf die gewünschte Betriebstemperatur uÖl = 60°C zu bringen, wurde ein separater Heizkreislauf (Pumpe / DBV) integriert.

Die Zeit t in der sich das Öl im Tank erwärmt ist ein wichtiges Kriterium für die Auslegung des Heizkreislaufes. Kreutzen Sie an, wie sich die angegebenen Parameteränderungen auf die Zeit t, die zur Erwärmung benötigt wird, auswirken. (Achtung: Falsche Antworten führen innerhalb dieser Aufgabe zu Punktabzug)

Zeit t bis zur gewünschten Erwärmung wird …

kürzer

bleibt gleich

länger

Erhöhung von pDBV

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kleineres Hubvolumen V1

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kleineres Ölvolumen VÖl im Tank

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kleinere kinematische Viskosität des Öls

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Aufgabe 9: Ein fremderregter Gleichstrommotor treibt über ein Getriebe das Hubwerk eines Krans an. Hinweis: alle Verluste außer den Stromwärmeverlusten im Ankerkreis werden vernachlässigt. gegeben: UN = 220 V; P N = 10 kW; I N = 50 A; nN = 1800 min-1 D = 0,3 m Getriebeübersetzung: ü = nMot / n Tr = 30 Berechnen Sie für den gegebenen Motor: a) b) c) d) e)

das Nennmoment MN den Widerstand des Ankerkreises RA die Leerlaufdrehzahl des Motors n0, gegeben: MN = 52,5 Nm das zum Heben der Last m erforderliche Motordrehmoment MM die Klemmenspannung UKL bei der die Last m mit einer Hubgeschwindigkeit von v = 0,5 m/s angehoben wird; gegeben: MM = 39 Nm, M N = 52,5 Nm, R A = 0,35 W f) den Wirkungsgrad h des Antriebes in dem unter e) beschriebenen Betriebspunkt; gegeben: UKL = 121 V, ferner gelten alle unter e) gegebenen Werte auch für f)

Aufgabe 10: Zum Antrieb eines elektrischen Fensterhebers wird ein permanent erregter Gleichstrommotor eingesetzt. gegeben: P N = 10 W;

U N = 12 V;

I N = 1,4 A;

nN = 2000 min-1

Berechnen Sie für den gegebenen Motor: f) das Nennmoment MN g) den Widerstand des Ankerkreises RA h) den Strom im Ankerkreis IA bei Nennspannung UN wenn der Motor blockiert; gegeben: RA = 3,5 W i) das maximale Drehmoment Mmax im Blockierfall; gegeben: MN = 0,05 Nm j) die Leerlaufdrehzahl n0 bei Nennspannung U N

Aufgabe 11: a) Geben Sie für die dargestellten Prinzipskizzen das Verhältnis der Eingangs- zur Ausgangsgeschwindigkeit der jeweiligen Kolbenstangen (vein / v aus) an. (bitte zutreffendes ankreuzen, falsche Antworten führen zu Punktabzug)

vein 1 vaus

vein

vaus

฀

฀฀

฀฀

vaus

vein

฀

฀

฀฀

฀฀

b) Kreutzen Sie die Prinzipdarstellung mit der größeren Kraftverstärkung (Faus / Fein) an.

Fein

Faus

Fein

Faus

Fein

Faus

Aufgabe 12:

Gegeben ist der folgende Schaltplan:

QP

pP

Gegeben ist folgender Betriebszustand: • • • •

Der Zylinder fährt aus. Das 2 – Wege – Stromregelventil ist auf QSTR = 80 l/min eingestellt. Die Pumpe liefert einen Volumenstrom von QP = 90 l/min. Es entsteht ein Druckverlust Dp = p1 – p 2 durch Strömungsverluste in den Rohrleitungen und in dem 3/2 – Wegeventil.

Ausgehend von dem oben beschriebenen Betriebszustand wird das Stromregelventil von 80 l/min auf 60 l/min eingestellt. Wie ändern sich die folgenden Größen qualitativ? (bitte zutreffendes ankreuzen, falsche Antworten führen zu Punktabzug) wird größer

bleibt gleich

wird kleiner

Druckabfall p1 - p2

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Verlustleistung am DBV

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Antriebsmoment der Pumpe

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Gesamtwirkungsgrad der Anlage

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Pumpendruck pP

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Zylindergeschwindigkeit

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Aufgabe 13: Zwei verschieden große Hydromotoren sollen gleichzeitig angetrieben werden, wahlweise parallel oder in Reihe geschaltet. Motor II

Motor I

Schaltstellung

Gegeben:

- Hydraulikmotoren: Schluckvolumen Abtriebsmomente

Hinweis:

Schaltstellung

= VI = V II MI = MI= M II=

10 cm³ 14 cm³ 30 Nm (bei Parallelschaltung) 20 Nm (bei Reihenschaltung)

Verluste in Rohrleitungen und Ventilen sowie Wirkungsgrade werden nicht berücksichtigt.

a) Vervollständigen Sie das 6/2 – Wegeventil im Schaltplan so, dass sowohl Parallel- als auch Reihenschaltung für die Motoren hergestellt werden kann. Bezeichnen Sie die Schaltstellungen. b) Wie hoch ist der Pumpendruck pP bei Reihenschaltung? c) Wie groß ist das Abtriebsmoment MII für den Motor II bei Parallelschaltung, wenn sich beide Motoren drehen? d) Wie hoch ist der Pumpendruck pP bei Parallelschaltung?

Aufgabe 14: Gegeben ist die skizzierte hydraulische Schaltung: gegeben: Druckbegrenzungsventil

pDBV

=

150

bar

Anlagenoberfläche Umgebungstemperatur Wärmedurchgangszahl zulässige Öltemperatur

A = uUmg = k = uÖl,zul =

2,5 25 12 75

m² °C W/(K m²) °C

Pumpe: Hubvolumen Pumpe Antriebsdrehzahl hydr.-mech. Wirkungsgrad

V1 n1 hhm,1

= = =

39,5 cm³ 1600 min -1 0,93

Motor: Schluckvolumen Abtriebsmoment Abtriebsdrehzahl hydr.–mech. Wirkungsgrad vol. Wirkungsgrad

V2 M2 n2 hhm,2 hvol,2

= = = = =

150 300 380 0,98 0,95

Hinweis:

cm³ Nm min -1

- Rohrleitungsverluste können vernachlässigt werden.

Berechnen Sie: a) die Pumpenantriebsleistung P1 b) den Pumpenvolumenstrom Q1 c) den volumetrischen Pumpenwirkungsgrad hvol,1 . Gegeben: Q1 = 65 l/min d) das maximal mögliche Abtriebsmoment M2,max. e) die erforderliche Kühlleistung eines Ölkühlers PKühl bei Dauerbetrieb der Anlage. Gegeben: P1 = 15 kW

Aufgabe 15:

An einem Kfz-Wischermotor (permanenterregter Gleichstrommotor) wurde eine Messung bei Nennspannung und nasser Scheibe durchgeführt: Messergebnis (nasse Scheibe): Motordrehzahl: n1 Ankerstrom: I1 -

= 850 min -1 =5A

Folgende Motordaten sind bekannt: Nennspannung: Leerlaufdrehzahl bei Nennspannung: -

UN n0

= 12 V = 1000 min -1

a) Berechnen Sie das Motormoment M bei nasser Scheibe. b) Berechnen Sie den Widerstand RA der Ankerwicklung. c) Berechnen Sie den Ankerstrom IA beim Einschalten des Motors. gegeben: RA = 0,3 W d) Berechnen Sie die Klemmenspannung UKL für eine Motordrehzahl von n = 650 min-1 bei nasser Scheibe (gleicher Last). gegeben: RA = 0,3 W, M = 0,65 Nm Aufgabe 16: Ein Gleichstrommotor mit Nebenschlussverhalten soll in der Drehzahl verstellt werden. Hierzu gibt es drei grundsätzliche Möglichkeiten. Die unten stehenden Diagramme zeigen in qualitativer Darstellung die natürliche Kennlinie des Nebenschlussmotors. Zeichnen Sie für die vorgegebene Drehzahlverstellung die veränderte Drehzahl – Drehmoment – Kennlinie in das jeweilige Diagramm ein. Veränderung der Klemmenspannung

Erhöhung des Ankerkreiswiderstandes

Feldschwächung

Aufgabe 17: Gegeben ist der dargestellte Zylinderantrieb, mit dem Lasten angehoben, aber insbesondere auch kontrolliert abgesenkt werden können. gegeben: Zylinder: Kolbendurchmesser DK Stangendurchmesser d Wirkungsgrad hZyl,ges Last mL Pumpe: Hubvolumen Antriebsdrehzahl Wirkungsgrade: volumetrisch hydraulisch - mech.

= 5 cm = 3 cm =1 = 1200 kg

VP nP

= 15,6 cm³ = 2000 min-1

hvol hhm

= 0,96 = 0,93

Ventile: 1 Rückschlagventil: 2 Duckzuschaltventil: 3 Verstelldrossel: Druckbegrenzungsventil:

wird rechnerisch nicht berücksichtigt Öffnungsdruck p2 = 210 bar aD = 0,7 pDBV = 100 bar

Dichte des Öls: rÖl Anlagenoberfläche: A Wärmedurchgang: k Kühler: P Kühl

= 880 kg/m³ = 2,5 m² = 11 W/(m² K) = 3,5 kW

Hinweis: Rohrleitungs- und Ventilverluste können vernachlässigt werden a) Berechnen Sie den Pumpenvolumenstrom QP . b) Berechnen Sie die maximale Pumpenantriebsleistung PP. gegeben: QP = 31 l/min c) Berechnen Sie die maximale Geschwindigkeit vauf, mit der die Last angehoben werden kann. gegeben: QP = 31 l/min d) Die Last soll mit einer Geschwindigkeit von vab = 0,2 m/s abgesenkt werden. Berechnen Sie die hierfür erforderliche Öffnungsfläche AD an der Verstelldrossel 3. gegeben: QP = 31 l/min; Hinweis: das DBV ist geöffnet >> QP > Q Zyl,A und pP = p DBV e) Der Zylinder ist vollständig ausgefahren (Anschlag). Das Wegeventil steht weiter auf „Zylinder ausfahren“ (Kreuzstellung). Berechnen Sie die Erwärmung des Hydrauliköls Du Öl nach langer Zeit.

Aufgabe 18:

Gegeben ist eine hydraulische Schaltung, bei der eine Konstantpumpe über ein Stromteilventil zwei Konstantmotoren antreibt. Das Stromteilventil teilt den Pumpenvolumenstrom QP im Verhältnis 1 : 1 auf die beiden Motoren auf. Es besitzt den skizzierten Aufbau.

gegeben: Pumpe: Pumpenvolumenstrom Wirkungsgrad: -

QP = 60 l/min hP,ges = 0,85

Motoren 1 und 2 (die Motoren sind baugleich): Schluckvolumen: V = 95 cm³ Wirkungsgrade: volumetrisch hvol = 0,95 hydraulisch - mech. hhm = 0,91 Hinweise: Leitungsverluste werden pauschal mit pV,L = 3 bar berücksichtigt. Die Durchflussverluste im Stromteilventil werden pauschal mit pV,V = 12 bar berücksichtigt. Bei ungleicher Motorbelastung treten einseitig zusätzliche Drosselverluste auf. Diese sind erforderlich damit beide Motoren mit der gleichen Drehzahl laufen.

a) Berechnen Sie die Drehzahl des Motors 1 n1. b) Berechnen Sie den Druckabfall des Motors 2 Dp2, wenn an dem Motor 2 ein Lastmoment von M2 = 170 Nm anliegt. Die folgenden Teilaufgaben beziehen sich alle auf einen Betriebspunkt. Für den Betriebspunkt gilt: M2 = 170 Nm und M 1 = 100 Nm; n1 = n 2 = 305 min -1. zusätzlich gegeben: Dp2 = 120 bar c) Berechnen Sie den Pumpendruck pP . d) Berechnen Sie die zusätzlichen Drosselverluste des Stromteilventils DpS .

e) Berechnen Sie den Gesamtwirkungsgrad hges,Anl der Schaltung. gegeben: pP = 135,5 bar Aufgabe 19: Gegeben ist die skizzierte hydraulische Schaltung, anhand derer die Funktion und das Betriebsverhalten von Stromventilen vergleichend dargestellt werden soll. Hierzu ist der eingezeichnete Platzhalter durch das jeweilige Stromventil zu ersetzen.

Zeichnen Sie die zeitlichen Verläufe für die Drücke p1 und p2, sowie für den zum Zylinder fließenden Volumenstrom QZyl in Abhängigkeit von der wirkenden Zylinderkraft F qualitativ in die vorbereiteten Diagramme ein. Gehen Sie davon aus, dass QP > Q Zyl ist. Verstelldrossel:

3 – Wege – Stromregelventil:

Aufgabe 20: Ein Elektroauto ist mit einem Gleichstrommotor ausgerüstet, der die in der Skizze angegebene Erregerwicklung besitzt. Die Fahrzeuggeschwindigkeit wird über die Klemmenspannung UA eingestellt (0...