Style-Global:Glasboiler

Aus Technische Beeinflussbarkeit der Geschmacksache Kaffee
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Felix Kistler, 07.12.2023

Im Zuge der Konstruktion der 2-Zylinder-Maschine wurden noch einige konstruktive Änderungen und Optimierungen am Boiler durchgeführt. Der optimierte Boiler wird baugleich sowohl in der 1-Zylinder- als auch 2-Zylinder-Maschine verwendet. Die Dokumentation der konstruktive Änderungen und Optimierungen folgt noch.

Felix Kistler, 07.11.2023

Die 2-Zylinder-Maschine verfügt über zwei identische Glasboiler, die je über einen eigenen Befüll-, Entschichtungs- und Entwässerungskreislauf verfügen und deren Heizelemente unabhängig voneinander betrieben werden. Die Glasboiler sollen baugleich aus der 1-Zylinder-Maschine übernommen werden. Die Konstruktion des Boilers der 1-Zylinder-Maschine gilt größtenteils als abgeschlossen, sodass die Baugruppe für die 2-Zylinder-Maschine dupliziert werden kann. Die Leitungen beider Boiler müssen verlegt und in das Leitungssystem der 2-Zylinder-Maschine integriert werden. In Serie gehört der Boiler zu jenen Baugruppen, die vormontiert werden sollen.

Stefanie Diener, 15.02.2023 - Abschlussbemerkung

Die Neukonstruktion der Spannhaken ist abgeschlossen. Im weiteren Schritt können die benötigten Bauteile bestellt und ein Prototyp gebaut werden. Anhand von diesem wird die Konstruktion in der Praxis überprüft. Für die verwendeten Schrauben sollen in Zukunft Schrauben mit Spezialkopf verwendet werden, sodass die Boilerkonstruktion mit handelsüblichem Werkzeug und somit vom Kunden nicht selbstständig geöffnet werden kann. Der Boilerboden wurde an den Konstruktionsstand angepasst. Weiterhin wurde eine flächige Auflage auf der Bodenplatte erreicht, sowie eine Reduzierung der eingeklebten Hülsen durch den Einsatz von direkten Gewinden. Außerdem ist in Zukunft über den Boilerboden ein Überhitzungsschutz zu integrieren. Dieser soll das Abschalten der Maschine bei zu hoher Temperatur erwirken.

Stefanie Diener, 15.02.2023 - Verwendung von Spezialschrauben

Bisher waren für die Verschraubung des Boilers Standardschrauben geplant. Für den weiteren Projektverlauf soll auf die Verwendung von Schrauben mit Spezialkopf umgestiegen werden. Dies verhindert ein Öffnen des Boilers mit handelsüblichem Werkzeug. Zugrunde liegt dieser Entscheidung, dass ein Öffnen des Boilers durch den Endnutzer verhindert werden soll. Die Verschraubung des Boilers ist durch den Verspannmechanismus sehr sensibel und muss genau auf den Vorspannweg der Tellerfeder ausgerichtet sein. Eine unsachgemäße Verschraubung führt somit zu einem erheblichen Sicherheitsrisiko. Somit muss geprüft werden, ob für die gewählten Schraubentypen ein passender Ersatz gefunden werden kann. Falls nicht, muss die Schraubenauswahl angepasst werden. Für den Prototypenbau ist dieses Problem irrelevant, deshalb können hierfür zunächst die gewählten Standardschrauben verwendet werden.

Stefanie Diener, 10.02.2023 – Anpassungen am Boilerboden

Stefanie Diener, Anpassungen Boilerboden
Stefanie Diener, Anpassungen Boilerboden

BoilerbodenDurch die neue Konstruktion der Spannhaken und weitere kleine Anpassungen haben sich Änderungen an dem Boilerboden ergeben. Diese wurden im CAD-Modell angepasst und sind hier vermerkt. Die folgende Abbildung zeigt im Vergleich den bisherigen und den aktuellen Stand des Boilerbodens in Draufsicht (obere Abbildungen) und in Seitenansicht (untere Abbildungen).

Um die äußeren Spannhaken nahe am Glaszylinder positionieren zu können und somit den wirkenden Hebel zu reduzieren, wurde eine Aussparung im Boilerboden angebracht, sodass die Spannhaken gerade zur Bodenplatte geführt werden können. Um die inneren Spannhaken durch den Boilerboden führen zu können, wurden auch hierfür Aussparungen im Boilerboden eingefügt. Um die Spannhaken montieren zu können, sind die Aussparungen an der Oberseite mit einem Radius versehen. An der Unterseite der Bodenplatte sind zusätzliche Bohrungen zur Befestigung angebracht. Details siehe Stefanie Diener, 17.12.2022 - Konstruktionsdetails Spannhaken.

Aus Optik- und Symmetriegründen wurden die Abflussbohrungen neu positioniert.

Die Position der Entschichtungsbohrung wurde versetzt, um im Unterbau eine geradlinigere Leitungsführung zu ermöglichen. Details siehe im Wiki unter Unterbau.

Die Bohrung für den Füllstandssensor wurde auch den aktuellen Sensor angepasst. Es handelt sich dabei um die Niveau-Sonde der Länge 250 mm von der Firma AVS-Römer (Artikelnummer: 390418).

Der Temperatursensor wird statt mithilfe einer eingeklebten Muffe nun durch ein direkt im Boden geschnittenes Gewinde befestigt. Daher wurde die dafür vorgesehene Bohrung dementsprechend angepasst.

Der Absatz auf der Unterseite des Boilerbodens wurde entfernt, sodass er flächig auf der Bodenplatte aufliegt (siehe Stefanie Diener, 08.02.2023 - Flächige Auflage des Boilerbodens).

Stefanie Diener, 08.02.2023 – Reduzierung eingeklebter Hülsen

Stefanie Diener, Reduzierung der Durchführungen
Stefanie Diener, Reduzierung der Durchführungen

DurchführungenUm eine sichere Verklebung und damit eine sichere Abdichtung des Boilerbodens zu erreichen, sollen die bisher verwendeten eingeklebten metallischen Durchführungen ersetzt werden. Diese haben den Nachteil, dass die Verklebung gerader Flächen miteinander keine gute Haltbarkeit aufweist. Daher werden stattdessen direkt in den Boilerboden Gewinde angebracht. Bei der Fertigung des Boilerbodens wird lediglich das Kernloch angebracht. Das Gewinde selbst wird bei der Montage geschnitten. Die nebenstehende Abbildung zeigt als Beispiel den bisherigen Einbau des Temperatursensors (links) sowie den neuen Einbau (rechts). Links sind die rot markierten glatten Klebeflächen zu sehen. Diese können durch das Direktgewinde im Boilerboden vermieden werden. Zur zusätzlichen Abdichtung wird eine Gewindeklebemasse verwendet. Hierbei muss darauf geachtet werden, lebensmitteltaugliche Gewindeklebemasse zu verwenden. Die Dichtheit dieser Verbindung soll im weiteren Projektverlauf mithilfe eines Prototyps getestet werden.

Stefanie Diener, 08.02.2023 - Flächige Auflage des Boilerbodens

Stefanie Diener, Boilerboden
Stefanie Diener, Boilerboden

Bisher war an der Unterseite des Boilerbodens ein Absatz angebracht. Dieser diente zur Positionierung des Boilerbodens auf der Bodenplatte, welche eine dafür vorgesehene Aussparungenthielt. In der nebenstehenden Abbildung ist dies in einer Seitenansicht im Schnitt dargestellt. Dadurch ergab sich als Auflagefläche lediglich der Randstreifen, welcher die wirkende Gewichtskraft des Glasboilers tragen muss. Um diese Fläche zu vergrößern und somit eine bessere Kraftverteilung und eine höhere Steifigkeit zu erreichen, wurde die Auflagefläche vergrößert. Der Vergleich der Auflagefläche des Boilerbodens auf der Bodenplatte ist ebenfalls in der folgenden Abbildung dargestellt. Die linke Darstellung zeigt die bisherige Auflagefläche, das rechte Bild die vergrößerte Auflagefläche nach den angebrachten Änderungen. Durch die flächige Auflage des Boilerbodens konnte die Fläche verdoppelt werden. Somit kann eine geringere Belastung für die Bodenplatte erreicht werden.

Stefanie Diener, 12.02.2023 - Montage Spannhaken

Stefanie Diener, Montage
Stefanie Diener, Montage
Stefanie Diener, Montage
Stefanie Diener, Montage
Stefanie Diener, Montage
Stefanie Diener, Montage
Stefanie Diener, Montage
Stefanie Diener, Montage

Die Montage der Glasboiler-Baugruppe ist in der Abschlussarbeit [44, Kapitel 4] beschrieben. Durch die Umkonstruktion der Spannhaken ergeben sich Änderungen in der Montagereihenfolge, welche hier dokumentiert werden.

Übersicht der Montageschritte und Änderungen
Montageschritt Beschreibung Änderungen
Montage der inneren Boilerelemente [Kapitel 4.1] Montage des Temperatursensors
Montage der Spannhaken am äußeren Borosilikatglasboiler [Kapitel 4.2] entfällt
Montage der Zylinderstifte im Boilerdeckel [Kapitel 4.3] -
Montage der Unterbodenkonstruktion [Kapitel 4.4] -
Montage der inneren Spannhaken Siehe unten Neuer Schritt
Montage des inneren Borosilikatglaszylinders [Kapitel 4.5] Boilerdeckel wird erst später montiert
Montage des äußeren Borosilikatglaszylinders am Boilerboden Nur Glaszylinder einsetzen
Zuschnitt und Anbringen des Dämmmaterials [Kapitel 4.7] -
Montage der äußeren Spannhaken und Versteifungselemente Siehe unten Neuer Schritt
Montage der Spannkomponenten und des Verspanndeckels [Kapitel 4.8] Boilerdeckel wird montiert

Montage innerer Spannhaken

Zuerst werden die inneren Boilerelemente montiert. Dieses Vorgehen bleibt bis auf die Montage des Temperatursensors unverändert und richtet sich nach [44, Kapitel 4.1]. Der Temperatursensor wird nicht mehr über eine eingeklebte Muffe befestigt, sondern durch ein direktes Gewinde im Boilerboden. Bei der Montage muss hierfür das Gewinde in dem dafür vorgesehenen Kernloch geschnitten werden. Zusätzlich wird zur Abdichtung eine Gewindeklebemasse verwendet. Die in Kapitel 4.2 beschriebene Montage der Spannhaken am äußeren Glaszylinder entfällt durch die Neukonstruktion.

Montage der inneren Spannhaken

Der innere Spannhaken wird zunächst von unten durch die dafür vorgesehene Aussparung durch das Bodenblech geführt (Abbildung rechts). Anschließend wird von oben der Boilerboden über die inneren Spannhaken geführt und verschraubt. Dafür sind an der Befestigungslasche des Spannhakens sowie in der Bodenplatte und im Boilerboden Bohrungen vorgesehen.

Montage der äußeren Spannhaken und Versteifungselemente

Zuerst wird das obere Versteifungselement durch zwei Schrauben an dem äußeren Spannhaken befestigt (Abbildung unten, links). Anschließend wird der äußere Spannhaken inklusive den Versteifungselement über den bereits montierten inneren Spannhaken geführt (Abbildung unten, mittig). Zur Erleichterung dieses Schritts ist am Versteifungselement eine Fase angebracht. Nun werden durch die zwei inneren Schrauben der äußere und der innere Spannhaken über das Versteifungselement verschraubt. Beim Anziehen der Schrauben muss darauf geachtet werden, die beiden Glaszylinder (insbesondere den Inneren) nicht zu beschädigen. Anschließend wird das zweite Versteifungselement auf der unteren Lasche des äußeren Spannhakens positioniert. Die beiden ausgewählten Schrauben werden von unten durch die Bodenplatte und die Befestigungslasche geführt, und im Versteifungselement verschraubt.

Stefanie Diener, 18.12.2022 - Längenänderung Spannhaken

Durch die Erwärmung im Betrieb sowie der wirkenden Zugkraft ergibt sich eine Längenänderung des Bauteils. Es muss geprüft werden, ob trotz dieser Längenänderung die Federkraft im Betrieb gewährleistet ist. Die Maße, die zur Berechnung verwendet werden, entstammen der ersten Konstruktion und Auslegung und können sich eventuell noch verändern. Da die möglichen Änderungen aber maximal wenige Millimeter betragen, können sie für diese Rechnung als vernachlässigbar betrachtet werden.

Relevant für die Längenänderung ist die Ausgangslänge des Bauteils:

  • Spannhaken außen 𝐿0,𝑎𝑢ß𝑒𝑛 = 294 𝑚𝑚
  • Spannhaken innen 𝐿0,𝑖𝑛𝑛𝑒𝑛 = 296 𝑚𝑚

Längenänderung aufgrund von Erwärmung

Aufgrund der Erwärmung des Außenzylinders im Betrieb muss geprüft werden, ob die thermische Längenänderung des neu konstruierten Spannhakens kritisch ist. Die Erwärmung des äußeren Glaszylinders wurde in Versuchen vom 26.10.22 ermittelt und im Wiki dokumentiert. Demnach wird als maximale Temperatur des äußeren Glaszylinder 65°C angenommen.

  • Maximale Temperatur 𝑇𝑚𝑎𝑥 = 65°𝐶
  • Raumtemperatur 𝑇𝑅𝑎𝑢𝑚 = 20°𝐶
  • Temperaturdifferenz Δ𝑇 = 𝑇𝑚𝑎𝑥 − 𝑇𝑅𝑎𝑢𝑚 = 45 °𝐶
  • Thermischer Ausdenkungskoeffizient 𝛼 = 16.5⋅10−6 𝐾 (Edelstahl)

Daraus ergibt sich eine Längenänderung der Komponenten aufgrund Erwärmung von:

  • Spannhaken außen Δ𝐿𝑎𝑢ß𝑒𝑛 = 𝐿0,𝑎𝑢ß𝑒𝑛⋅𝛼⋅Δ𝑇 = 0.220 𝑚𝑚
  • Spannhaken innen Δ𝐿𝑖𝑛𝑛𝑒𝑛 = 𝐿0,𝑖𝑛𝑛𝑒𝑛⋅𝛼⋅Δ𝑇 = 0.218 𝑚𝑚

Längenänderung aufgrund der Zugkraft

Die Vorspannkraft von 850 N teilt sich gleichmäßig auf die beiden Spannhakenelemente auf. Somit wirkt an jedem Element eine Zugkraft von 𝐹𝑍𝑢𝑔 = 850 𝑁/2 = 424 𝑁.
Der Querschnitt der beiden Spannhaken beträgt jeweils 𝐴 = 2 𝑚𝑚⋅25 𝑚𝑚 = 50 𝑚𝑚2.
Daraus ergibt sich eine Zugspannung von 𝜎𝑍𝑢𝑔=𝐹𝑍𝑢𝑔/𝐴 = 8,5 𝑀𝑃𝑎.
Für die resultierende Längenänderung gilt mit dem E-Modul von 𝐸 = 200 𝑘𝑁/𝑚𝑚2
Spannhaken außen Δ𝐿𝑎𝑢ß𝑒𝑛=𝜎𝑍𝑢𝑔/𝐸⋅𝐿0,𝑎𝑢ß𝑒𝑛 = 0.013 𝑚𝑚
Spannhaken innen Δ𝐿𝑖𝑛𝑛𝑒𝑛=𝜎𝑍𝑢𝑔/𝐸⋅𝐿0,𝑖𝑛𝑛𝑒𝑛 = 0.012 𝑚𝑚

Gesamtlängenänderungen der Spannhaken
Längenänderung aufgrund von Spannhaken außen Spannhaken innen
Erwärmung 0.220 mm 0.218 mm
Krafteinwirkung 0.013 mm 0.012 mm
Gesamtlängenänderung 0.233 mm 0.230 mm

Die Längenänderung der vorherigen Spannhakenkonstruktion betrug 0.229 mm [44]. Die Änderung von 0.004 mm wirkt sich negativ auf die Gesamtlängenänderung des kompletten Verspannmechanismus aus:

  • Gesamtlängenänderung bisher Δ𝐿 = −0.06 𝑚𝑚
  • Gesamtlängenänderung neu Δ𝐿 = −0.064 𝑚𝑚

Für den Kraftverlust der Feder ergibt sich daraus folgende Änderung (Federrate 𝑅 = 2498.18 𝑁):

  • Kraftverlust bisher F𝑉𝑒𝑟𝑙𝑢𝑠𝑡 = 𝑅⋅Δ𝐿=−149.89 𝑁
  • Kraftverlust neu F𝑉𝑒𝑟𝑙𝑢𝑠𝑡 = 𝑅⋅Δ𝐿=−159.88 𝑁

Für den Mindestvorspannweg ergibt sich daraus folgende Änderung (Druckkraft 𝐹𝐷= 2161.81 𝑁):

  • Vorspannweg bisher 𝑠𝑚𝑖𝑛 = (𝐹𝐷+𝐹𝑉𝑒𝑟𝑙𝑢𝑠𝑡)/𝑅 = 0.925 𝑚𝑚 ≈ 0.93 𝑚𝑚
  • Vorspannweg neu 𝑠𝑚𝑖𝑛 = (𝐹𝐷+𝐹𝑉𝑒𝑟𝑙𝑢𝑠𝑡)/𝑅 = 0.929 𝑚𝑚 ≈ 0.93 𝑚𝑚

Die Änderung der Längenausdehnung ist also so gering, dass die Federkraft nicht wesentlich beeinflusst wird. Eine Anpassung des Vorspannwegs ist somit nicht notwendig.

Stefanie Diener, 17.12.2022 - Konstruktionsdetails Spannhaken

Stefanie Diener, Spannhaken
Stefanie Diener, Spannhaken

Die Abmaße der beiden Spannhaken werden zum einen durch die notwendigen Bohrungen, zum anderen durch die Konstruktionsregeln für Blechbiegeteile bestimmt. Die wichtigsten zu beachtenden Konstruktionsvorgaben sind:

  • Der Innenradius der Biegung entspricht der Blechdicke.
  • Der Mindestlochabstand zur Biegung muss mindestens 2,5x der Blechdicke entsprechen, um ein Verziehen der Bohrung beim Biegen zu verhindern. Ist dieser Abstand konstruktionsbedingt nicht umzusetzen, müssen Entlastungsausschnitte in der Biegezone hinzugefügt werden. Hierfür ist die beste Form eine rechteckige Aussparung mit verrundeten Ecken.
  • Die Mindestschenkellänge und der Mindestabstand zwischen zwei Biegungen (abhängig von Blechdicke und Hersteller) muss eingehalten werden.

Äußerer Spannhaken

Die Form des äußeren Spannhakens ist in der nebenstehenden Abbildung links zu sehen. An der obere Lasche ① wird der Verspanndeckel verschraubt. Dazu dient die obere zentrierte Bohrung. Es werden in beiden Biegebereichen Entlastungsschnitte eingefügt, um die Form der Bohrung nach dem Biegen zu sichern. Weiterhin dient die Lasche zur Verbindung mit dem inneren Spannhaken, wofür zwei Bohrungen vorgesehen sind. Diese sind so angeordnet, dass keine Kollision mit der oberen Schraube des Verspanndeckels entsteht. Außerdem sind sie außerhalb der Biegezone positioniert, so dass keine weiteren Entlastungsschnitte notwendig sind. Die obere Lasche bestimmt maßgeblich die Größe des gesamten Spannhakenzusammenbaus. Diese soll möglichst geringgehalten werden, zum einen aus optischen Gründen, zum anderen um den entstehenden Hebelarm zu minimieren. Daher richtet sich die Größe der oberen Lasche nach den Vorgaben zum Mindestabstand von Biegungen. Bei dem Hersteller Blexon gilt für deine Blechdicke von 2mm der Mindestabstand von 12.5 mm.

Die untere Lasche ② dient zur Befestigung am Bodenblech. Dafür sind zwei Bohrungen vorgesehen, um die Komponente gegen Verdrehen zu sichern. In der Biegezone werden zwei Entlastungsschnitte benötigt.

Innerer Spannhaken

Der innere Spannhaken ist in der Abbildung rechts zu sehen. Die Befestigungslasche des inneren Spannhakens wird von unten an die Bodenplatte geschraubt. Durch Aussparungen in der Bodenplatte und im Boilerboden führt der Spannhaken nach oben, wo er mit dem äußeren Spannhaken verschraubt wird. Für die obere und untere Befestigung werden jeweils zwei Schrauben verwendet. In der Biegezone werden zwei Entlastungsschnitte hinzugefügt, um die Form der Bohrungen zu gewährleisten.

Stefanie Diener, 17.12.2022 - Schraubenauswahl Spannhaken

Stefanie Diener, Schraubenauswahl Spannhaken
Stefanie Diener, Schraubenauswahl Spannhaken

Da die Mindestmaße der Spannhaken durch die Bohrungen limitiert werden, wird zunächst für jede Position eine Schraubenauswahl durchgeführt. Dafür wird die benötigte Schraubenlänge über die zu durchdringenden Komponenten und die Mindesteinschraubtiefe bestimmt. An Positionen, an denen im späteren Gesamtaufbau der Schraubenkopf sichtbar ist, werden aus optischen Gründen Schrauben mit Senkkopf verwendet. Aufgrund der einfacheren Montage bei geringem Freiraum werden an einigen Stellen Schrauben mit Innensechskant benötigt. Um die zur Montage notwendige Anzahl an Werkzeugen gering zu halten, wird für alle Positionen eine Schraube mit Innensechskant gewählt.

An Position 1 wird der Verspanndeckel mit dem Spannhaken sowie dem Versteifungselement verschraubt. Aus optischen Gründen wird eine Schraube mit Senkkopf verwendet. Der Schraubendurchmesser wird von der vorherigen Konstruktion übernommen. Die erforderliche Mindestlänge der Schraube ergibt sich aus der Höhe des Verspanndeckels, der Blechdicke des Spannhakens sowie der Mindesteinschraubtiefe in das Versteifungselement. Aufgrund der erforderlichen Mindestmaße wird folgende Schraube gewählt:

Senkschraube ISO 10642 - M6x25 - 8.8

An Position 2 werden die beiden Spannhaken über das Versteifungselement miteinander verschraubt. Um eine höhere Steifigkeit zu erreichen, soll der äußere Spannhaken von beiden Seiten fixiert sein. Dies könnte durch verschiedene Konzepte umgesetzt werden:

  • Schrauben von links und rechts, Innengewinde im Versteifungselement
  • Schraube und Mutter
  • Schraube und Hülsenmutter

Das Konzept zur Verwendung einer Schraube mit Mutter wird ausgeschlossen. Da auf der Innenseite des Glaszylinders aufgrund des Boilerdeckels der Platz zu gering für eine Mutter ist, müsste diese außen angebracht werden. Diese Lösung wird als optisch nicht ansprechend bewertet. Die Verwendung einer Schraube mit Hülsenmutter wäre in Verbindung mit Schraubenkleber eine Lösung inklusive Sicherung gegen einfaches Lösen der Verbindung. Bei einer Recherche zeigte sich allerdings, dass korrosionsbeständige Hülsenmuttern nur von sehr wenigen Herstellern angeboten werden. Daher wird das Konzept mit insgesamt vier Schrauben und einer Durchgangsbohrung mit Innengewinde im Versteifungselement gewählt. Verwendet werden Senkkopfschrauben, zum einen aus optischen Gründen, zum anderen aufgrund des geringen Platzes auf der Innenseite. Um von beiden Seiten Schrauben einsetzen zu können, ergibt sich pro Schraube eine Maximallänge von ca 10 mm. Unter Einbezug der Toleranzen sollte allerdings eine kürzere Schraubenlänge gewählt werden. Die erforderliche Mindestlänge der Schrauben ergibt sich aus der Mindesteinschraubtiefe in das Versteifungselement und der Blechdicke (außen) bzw. zweimal der Blechdicke (innen). Zur Auswahl stehen die Nennschraubenlängen 8 mm und 10 mm. Bei 8 mm wird an der inneren Verschraubung die Mindesteinschraubtiefe nur knapp erreicht. Bei der Verwendung von 10 mm Schrauben könnten die Schrauben allerdings aufgrund von Fertigungstoleranzen kollidieren. Daher wird entschieden, zwei unterschiedliche Schraubenlängen zu verwenden:

Senkschraube ISO 10642 – M3x10 – 8.8 (Innenseite)

Senkschraube ISO 10642 – M3x8 – 8.8 (Außenseite)

Um die Anzahl verschiedener Zukaufteile gering zu halten, wird für Position 3 und 4 die Schraubenauswahl vereinheitlicht. An Position 3 wird der äußere Spannhaken durch zwei Schrauben mit der Bodenplatte verschraubt. Die Schrauben werden von unten eingesetzt, so dass sich die Schraubenköpfe unter der Bodenplatte befinden. Von oben dient als Gegenstück das Versteifungselement mit Innengewinde. Verwendet werden M3-Schrauben, welche nach durchgeführter Auslegung ausreichend sind. Die erforderliche Mindestlänge ergibt sich aus der Dicke des Bodenblechs, der Blechdick des Spannhakens sowie der Einschraubtiefe in das Versteifungselement. An Position 4 wird der innere Spannhaken von unten durch zwei Schrauben mit der Bodenplatte und dem Boilerboden verschraubt. Die auftretende Belastung sowie die relevanten Abmaße sind analog zu Position 3. Da zwischen der Bodenplatte und der Abtropfwanne nur ein Abstand von 3 mm vorliegt, wird eine Flachkopfschraube gewählt. Damit wird folgende Schraubenauswahl getroffen:

Zylinderschraube ISO 7984 – M3x12 - 8.8 (Zylinderschraube mit Innensechskant und niedrigem Kopf)

Notwendige Schrauben pro Spannheinheit
Anzahl Bezeichnung Position
1 Senkschraube ISO 10642 - M6x25 - 8.8
2 Senkschraube ISO 10642 – M3x8 – 8.8
3 Senkschraube ISO 10642 – M3x10 – 8.8
4 Zylinderschraube ISO 7984 – M3x12 - 8.8 ❸, ❹

Stefanie Diener, 07.12.2022 - Wirkungsweise Versteifungselemente

Stefanie Diener, Wirkungsweise der Versteifungselemente
Stefanie Diener, Wirkungsweise der Versteifungselemente

Wirkungsweise VersteifungselementeDie zwei zum Einsatz kommenden Versteifungselemente wirken als Gegenstück für die Verschraubungen des Bauteils mit der Bodenplatte bzw. des Verspanndeckels. Ihre Hauptfunktion besteht allerdings darin, die Verformung der Spannelemente unter der Belastung zu verhindern. In der nebenstehenden Abbildung ist dies schematisch dargestellt. Die linke Skizze zeigt den groben Aufbau der beiden Spannhaken sowie die Verschraubung am Boden (belastungsfrei). Wirkt nun im Betrieb die angreifende Kraft, würden sich die Bauteile wie in der mittleren Skizze überdimensional dargestellt verbiegen. Um diese aus der Zugkraft resultierende Deformation zu verhindern, werden die Versteifungselemente verwendet. Ihre Positionierung ist in der rechten Skizze zu erkennen. Das obere Element unterbindet, dass die beiden Spannhaken zueinander gezogen werden und möglicherweise mit dem dazwischenliegenden Glaszylinder in Kontakt kommen könnten. Das untere Element verhindert eine Vergrößerung des Biegewinkels der unteren Lasche über 90°. Da der innere Spannhaken unterhalb der Bodenplatte verschraubt ist, wird hier diese Funktion von der Bodenplatte und dem Boilerboden übernommen, sodass kein weiteres Versteifungselement benötigt wird.

Stefanie Diener, 07.12.2022 - Konzept Spannhaken

Stefanie Diener, Konzept Spannhaken
Stefanie Diener, Konzept Spannhaken

Konzept Neukonstruktion SpannhakenDas neue Konzept für die Spannhaken besteht aus zwei Biegeblechteilen ① und ② sowie zwei Versteifungselementen ③ und ④. Die Versteifungselemente dienen zum Verhindern der Durchbiegung der Spannhaken und gleichzeitig als Gegenstücke für die Befestigungsschrauben.

Aufgrund des mangelnden Platzes zwischen dem inneren und äußeren Glaszylinder, insbesondere unter Anbetracht der recht hohen Toleranzen, wird die Befestigungslasche des inneren Spannhakens ② unter das Bodenblech verlegt. Um die Montage zu ermöglichen, wird daher der innere Spannhaken als L-Stück konstruiert. Somit kann dieser bei der Montage von unten durch das Bodenblech und den Boilerboden geführt werden. Der äußere Spannhaken ① dagegen wird als passendes Gegenstück dazu ausgeführt, so dass die beiden Einzelteile oben verschraubt werden können. Dies geschieht mit Hilfe von zwei Durchgangsschrauben. Am Bodenblech werden beide Spannhaken ebenfalls mit zwei Schrauben befestigt. Das untere Versteifungselement ③, das mit dem äußeren Spannhaken verschraubt wird, könnte in zukünftigen Versionen beispielsweise als Ring ausgeführt werden, um ein optisch ansprechenderes Design zu erlangen.

Stefanie Diener, 19.11.2022 - Neukonstruktion Spannhaken

Die ursprüngliche Konstruktion der Spannhaken wies eine unzureichende Betriebsfestigkeit auf (siehe [87]). Daher wird ein neuer Spannhaken konstruiert, welcher ein Blechbiegeteil aus Edelstahl 1.4435 sein soll. Der geplante Verspannmechanismus soll dabei erhalten bleiben.

Stefanie Diener, 14.11.2022 - Festigkeitsberechnung Spannhaken

Die bestehende Konstruktion der Spannhaken muss auf Festigkeit überprüft werden. Dafür wird im Folgenden betrachtet, welche Belastungen am Bauteil auftreten, und ob das Bauteil diesen über einen gewissen Zeitraum standhält. Die hier untersuchte Geometrie bezieht sich auf den CAD-Stand vom 05.01.2022 sowie die Projektarbeit [23]. Betrachtet werden die oberen Spannhaken.

Dieser Eintrag stellt eine Zusammenfassung der Berechnungen sowie die Ergebnisse dar. Die ausführliche Berechnung kann im Dokument [87] nachgelesen werden.

In den folgenden Abschnitten werden zunächst die auf das Bauteil wirkenden Kräfte untersucht und der am meisten gefährdete Querschnitt ermittelt. An diesem Querschnitt wird ein statischer Festigkeitsnachweis erbracht. Anschließend wird die dynamische Festigkeit geprüft, dass heißt die Festigkeit des Bauteils unter Einbezug der Lebensdauer, der Schwingspiele und der Temperatur.

Belastungen und kritischer Querschnitt

Zunächst werden die auf das Bauteil wirkenden Kräfte betrachtet:
Bei der Kraft 𝐹𝑉 handelt es sich um die Vorspannkraft der Tellerfeder, welche aufgrund der Anzahl der Spannhaken (3 Stück) gedrittelt und aufgerundet wird.

FV = FL = 2500 N/3 ≈ 834 N

Aufgrund der komplexen Geometrie und der schwierigen exakten Vorhersage des Kraftflusses wird zur „Worst-Case“-Betrachtung die komplette Kraft über den äußeren Spannhaken abgeleitet.

Für den am stärksten belasteten Querschnitt ergeben sich folgende Schnittkräfte und Belastungen:

FV = FL = FF = 834 N
L = 2.75 mm Mb = FL ⋅ L = 2.29 Nm

Biegebeanspannung: σb = 22.52 MPa
Schubbeanspruchung: τS = 15.7 MPa
Vergleichsspannung (nach Mises): σV = 35.3 MPa

Beanspruchung und Lastfall

Es handelt sich um eine schwellende Belastung. Dabei wirkt die Vorspannkraft der Schraube im Normalzustand, es wirkt die Maximalspannung. Erhitzt sich das Wasser im Boiler und steigt der Innendruck an, sinkt die Kraft auf 0 (theoretisch).

Somit liegt eine dynamische Beanspruchung vor, bei der die Spannung zwischen der Oberspannung σO und der Unterspannung σU schwingt. Die Oberspannung entspricht der oben berechneten Vergleichsspannung σV . Da eine schwellende Belastung vorliegt, ist die Unterspannung null.

σO = 35.3 MPa
σU = 0 MPa

Die ruhende Mittelspannung beträgt σm = σO/2 = 17.65 MPa und die Spannungsamplitude σa = ± σO/2 = ±17.65 MPa.

Ein Schwing- oder Lastspiel liegt vor wenn die Spannung, nachdem sie auf null gesunken ist, wieder den Ausgangswert von σO erreicht hat. In diesem Fall ist ein Schwingspiel also gleichzusetzen mit dem einmaligen An – und Ausschalten der Kaffeemaschine. Für die weitere Rechnung wird als „Worst-Case“-Fall angenommen, dass die Maschine 10x täglich angeschaltet wird und eine Lebensdauer von 10 Jahren ausgelegt ist. Damit ergibt sich eine Lastspielzahl von Na = 365 ⋅ 10 ⋅ 10 = 36500.

Statischer Festigkeitsnachweis

Die maximal am Bauteil auftretende Spannung beträgt σO = 35.3 MPa. Die Zugfestigkeit von PA-12 liegt bei σγ = 48 MPa. Für die statische Festigkeit gilt dann

σstat = σγ ⋅ AS = 48 MPa ⋅ 0.8 = 38.4 MPa,

wobei für den Abminderungsfaktor AS hier 0.8 verwendet wird, da dieser Wert für teilkristalline, unverstärkte Thermoplaste in der Literatur vorgeschlagen wird.

Somit gilt

σO = 35.3 MPa < 38.4 MPa = σstat = σzul.

Damit ist die statische Festigkeit des Bauteils gegeben.

Einfluss der Temperatur

Aus Versuchen vom 26.10.2022 (siehe unten) zeigt sich, dass der Außenzylinder und somit der untersuchte Spannhaken sich auf maximal 60°C erwärmen. Für das verwendete Material PA-12 vom Hersteller HP sind keine Materialdaten unter Temperatureinfluss vorhanden. Daher wird anhand von Daten ähnlicher Materialien eine Abschätzung vorgenommen. In der Abbildung sind für verschiedene Materialien der PA12-Gruppe Spannungs-Dehnungs-Kennlinien für 23°C (durchgezogene Linien) und 60°C (gestrichelte Linien) gezeigt. Die verwendeten Materialdaten stammen von der Materialdatenbank [campusplastics].

Vergleicht man für diese sechs Materialien jeweils die Streckgrenze bei 23°C und 60°C, ergibt sich ein Durchschnittswert von

σγ,60°C = 0.57 ⋅ σγ,23°C

für die Streckgrenze bei 60°C.
Der Wert 0.57 wird in der weiteren Berechnung als Temperatur-Abminderungsfaktor AT = 0.57 einbezogen, um somit den Einfluss der Temperaturerhöhung von Raumtemperatur (23°C) auf ca. 60°C während des Betriebs einzubeziehen.

Dynamischer Festigkeitsnachweis

Weiterhin muss die Ermüdungsfestigkeit des Bauteils geprüft werden, also auf die Festigkeit in Bezug auf die zyklisch auftretende Belastung. Dafür wird die Wöhlerkurve für PA-12 bestimmt. Diese Angaben werden aus der Arbeit von [20210628_Nooragha_Quraishi_Sascha_Maertin_Festigkeitsnachweis_des_Hebels_aus_PA_12] übernommen.

Demnach ist die Grenzspannungsamplitude σG für PA-12

σG = 9.6 MPa.

Da hier der oben beschriebene Abminderungsfaktor AT für die Temperatur hinzukommt, gilt

σGT = σG ⋅ AT = 5.47 MPa.

Mit der oben bestimmten Lastspielzahl ergibt sich als oberer Grenzwert für die Dauerfestigkeit eine Spannung von σzul = 8.87 MPa.

Damit ist eindeutig zu erkennen, dass gilt

σO = 35.6 MPa > 8.87 MPa = σzul

Die Ermüdungsfestigkeit des Bauteils ist somit nicht gegeben. Daher sollte ein anderer Werkstoff und eine eventuelle Neukonstruktion in Betracht gezogen werden.

Bei dem Temperaturabminderungsfaktor handelt es sich hier um einen abgeschätzten Wert, da keine expliziten Materialdaten vorhanden sind. Die Genauigkeit der Abschätzung ist an dieser Stelle allerdings irrelevant, da auch ohne den Einfluss der Temperatur die auftretende Spannung die zulässige Spannung (bei Raumtemperatur) überschreitet.

Armin Rohnen, 26.10.2022

Armin Rohnen, Temperaturverläufe am doppelwandigen Glasboiler
Armin Rohnen, Temperaturverläufe am doppelwandigen Glasboiler

Temperaturverläufe am Glas-VersuchsboilerAuswertung von Temperaturmessungen des ersten Glas-Versuchsboilers. Demnach wird der Außenzylinder nicht wesentlich wärmer als 60 °C. Beim früheren Glas-Versuchsboiler war allerdings die obere Isolierung zwischen den beiden Zylindern nicht optimal. Die Messungen können jedoch als Anhaltswerte betrachtet werden.

Die Messungen selbst sind aufgrund der fehlenden Abschirmung an den Kabeln ein wenig mit Störungen überlagert. Auch die Kalibrierung der verwendeten Sensorelemente ist nicht 100 %ig gesichert.

Armin Rohnen, 20.09.2022

  • Die Boilerkonstruktion ist bezüglich der mechanischen und thermischen Festigkeit der Spannhaken zu prüfen. Falls erforderlich sind andere Materialien oder eine andere Konstruktion zu erstellen. Der grundlegende Mechanismus inkl. Boilerdeckel und Verspanndeckel ist dabei zu erhalten.
  • Der Boilerboden ist so umzukonstruieren, dass der Boiler flächig auf der Bodenplatte aufsteht und nicht mehr nur an einem Randstreifen getragen wird.
  • Die eingeklebten metallischen Durchführungen sind so umzugestalten, dass eine sichere Verklebung gewährleistet ist. Z. B. durch einführung von Gewinde anstelle glatter Übergangsflächen.