Style-Global:Verspanndeckel
Mustafa Inaltekin, 04.07.2022
Die Mindesthöhe der Distanzhülsen wurde bestimmt. Ohne Betrachtung der Toleranz beträgt die Mindesthöhe der Hülse 6,1 mm. Dies resultiert aus dem Abstand der Oberkanten der Tellerfeder und des Boilerdeckels im verspannten Zustand der Tellerfeder um den Vorspannweg um 1 mm.
Wird jedoch die Toleranz betrachtet, ändert sich die Höhe der Hülse. Die minimale Höhe der Hülse ergibt sich durch folgende Kombination: Die maximale Höhe von Boilerboden, äußere Glaszylinder und den Spannhaken (bestehend aus zwei 3D-Druck Teilen) und die minimale Höhe von Boilerboden, innere Glaszylinder, Boilerdeckel. Die Toleranzen der beiden Glaszylinder wurden [44, Tabelle 3] entnommen. Im weiteren Verlauf werden die beiden Kombinationen berechnet.
| Boilerboden | 10 mm + 0,2 mm | .-. | Boilerboden | 10 mm – 0,2 mm |
| Äußere Glaszylinder | 265 mm + 1,77 mm | Innere Glaszylinder | 274 mm – 0 mm | |
| Spannhaken (2x 3D-Druck) | 15 mm + 0,6 mm | Boilerdeckel | 8 mm – 0,2 mm |
Bei der maximalen Höhe muss zusätzlich noch der Höhenunterschied von den Oberkanten von Spannhaken und Boilerdeckel mit 0,6 mm berücksichtigt werden. Daraus ergibt sich für die maximale Höhe 293,2 mm. Für die minimale Höhe berechnet sich 291,5 mm.
Wenn nun die Differenz der maximalen und minimalen Höhe mit den bereits ermittelten 6,1 mm (optimal Fall- ohne Toleranzen) verglichen wird, ergibt sich eine Mindesthöhe der Hülse von 4,5 mm. Da jedoch Zukaufteile günstiger als Konstruktionsteile sind, wird die Hülse mit einer Höhe von 5 mm, Innendurchmesser 6,3 mm und Außendurchmesser 10 mm vom Lieferanten Misumi bezogen. Hier wird dies für ein Stückpreis von 1,38 € angeboten und erst ab einer Stückzahl ab 400 sinkt der Stückpreis auf 1,03 €.
Da jetzt jedoch die Mindesthöhe um 0,5 mm überschritten wurde, wird unter der Tellerfeder eine weitere Passscheibe mit einer Dicke von 0,5 mm verwendet.
Die Kosten für den 10 mm Dicken Verspanndeckel wurden anhand der Kostenermittlungstool von Xometry ermittelt. Für den Prototypen wird 111,81 € verlangt. Bei der Losgröße von zehn wird je Stück 27,80 € nötig.
Im Vergleich zur 8 mm Dicken-Variante sind statt den drei M6x16 Innensechskant-Schrauben, wegen einer 2 mm dickeren 10 mm Variante drei M6x18 Schrauben, notwendig.
| Verspanndeckel mit 8 mm Höhe | .-. | Verspanndeckel mit 10 mm Höhe | ||
| Anzahl | Bauteil | Anzahl | Bauteil | |
| 3 | M6x16 Innensechskantschrauben | 3 | M6x18 Innensechskantschrauben | |
| 3 | Hülse 10x6,3x5 | Beispiel | 3 | Hülse 10x6,3x5 |
| 2 | Passscheibe 50x62x1 | Beispiel | 2 | Passscheibe 50x62x1 |
| 3 | Passscheibe 50x62x0,5 | 3 | Passscheibe 50x62x0,5 |
Bei der Montage muss darauf geachtet werden, dass der Verspanndeckel, aufgrund der Toleranzen, nicht schief verschraubt wird. Hierbei können unter den Hülsen Passscheiben mit verschiedenen Dicken untergelegt werden, um die Schwankungen auszugleichen. Passende Passscheiben können ebenfalls bei Misumi bezogen werden.
Zusammenfassung: Zwei verschiedene Designkonzepte wurden anhand einer FEM-Analyse und einer handschriftlichen Überprüfung verglichen. Das bereits aus Aluminium bestehende Verspanndeckel [44] wird mit Edelstahl 10 mm dicke realisiert. Die Mindesthöhe der Hülsen wurde bestimmt.
Mustafa Inaltekin, 30.06.2022
Die Durchbiegung der FEM-Analyse wird durch schriftliches Nachrechnen überprüft. Gegeben ist das E-Modul von Stahl mit 210.000 N/mm2 und die Kraft F = 2500 N. Zur Vereinfachung wird nur ein Schenkel mit der Breite von 56,3 mm angenommen. Die Länge des Blechs beträgt 78 mm. Es wird im Folgenden die Durchbiegung von den Blechdicken 8 mm und 10 mm berechnet.
Es ergibt sich für die Blechdicke von 8 mm eine Durchbiegung von w=0,0158 mm und für die Blechdicke von 10 mm ist w=0,0127 mm. Die Durchbiegungen der FEM basierten Analyse und der schriftlichen Überprüfung liegen mit einer Genauigkeit von 0,002 mm - 0,003 mm sehr nahe einander. Somit ist die Durchbiegung überprüft worden. Die FEM Analyse der 10 mm Variante ergibt eine Durchbiegung von 0,011 mm.
Mustafa Inaltekin, 25.06.2022
Bei der Überprüfung der FEM-Analyse wurde ein kleiner Fehler erkannt, und daher kann die Variante mit einer Blechdicke von 5 mm und 6 mm nicht verwendet werden, denn die Durchbiegung beträgt 0,08 mm (Die berechnete Durchbiegung wäre bei Edelstahl 2% vom definierten Verspannweg 1 mm, also 0,02 mm.). Nun ist eine Blechdicke von 8 mm ausgewählt und diese erneut mittels FEM analysiert. Die Durchbiegung beträgt nun 0,02 mm, welches die Vorspannkraft gewährleisten kann. Preislich gesehen kostet ein Prototyp etwa 103€ (also 1€ teurer als die 5 mm Blechdicke) und bei der Losgröße von 10 beträgt der Stückpreis etwa 13,00€ (2€ teurer).
Die Variante mit dem 8 mm Edelstahl wird in der Praxis funktionieren.
Mustafa Inaltekin, 24.06.2022
Designtechnisch ist die bereits vorhandene, bestehend aus Aluminium, die beste Variante. Diese ist jedoch nicht steif genug, daher kam die Idee die Variante mit Edelstahl zu realisieren und verschiedene Blechdicken zu probieren.
Blechdicke 5 mm
Diese Variante wurde mithilfe der FEM analysiert. Dabei kam für die maximale Durchbiegung 0,0426 mm raus. Kostentechnisch ist diese Variante deutlich positiver zu bewerten. Die Losgröße von eins und zehn wurde bei dem Lieferanten Laserhub durch das Kostenermittlungstool ermittelt. Für ein Einzelstück werden etwa 102,00€ (netto) fällig. Für die Losgröße 10 beträgt der Einzelpreis etwa 11,00€ (netto). Im Vergleich zum jetzigen Stand (Stiftverbindung: Losgröße 1 - 190,00€ und Losgröße 10 - 43,60€/Stück [Analyse Erik Reitsam]) wird also deutlich gespart.
Blechdicke 6 mm
Diese Variante wurde mithilfe der FEM analysiert. Dabei kam für die maximale Durchbiegung 0,0377 mm raus.
Mustafa Inaltekin, 21.06.2022
Der Verspanndeckel wird hinsichtlich seiner Durchbiegung und Festigkeit mittels FEM analysiert. Der Verspanndeckel wird hinsichtlich der 2500 N Vorspannung der Tellerfeder analysiert. Dadurch entstand eine numerisch berechnete maximale Durchbiegung. Dies wurde für die Materialien Aluminium und sowie für Edelstahl (1,4301) der drei Schenkelbleche ermittelt. Die maximale Durchbiegung von Aluminium beträgt 0,07 mm und von Edelstahl 0,02 mm.
Der Mindestvorspannweg beträgt 0,93 mm [44] (Formel 34) und der Vorspannweg wurde auf 1 mm festgelegt. Die Mindestvorspannkraft beträgt 2311,70 N. Die Vorspannkraft für die Edelstahlvariante beträgt 2448,22 N und für die Aluminiumvariante 2311,70 N [44] (Formel 34) daraus ergeben sich die Vorspannweg 0,98 mm für Edelstahl und 0,93 mm für Aluminium. Daher wird im weiteren Verlauf Edelstahl für die Schenkelbleche verwendet.
Mustafa Inaltekin, 31.05.2022
Damit die Tellerfeder vor zu hoher Vorspannung geschützt ist, muss der Verspanndeckel steifer ausgelegt werden. Die Idee ist in Form eines dreischenkligen Sterns eine dreiteilige Verspannung aufzubauen. Die erforderliche Vorspannkraft der Tellerfeder beträgt 2500 N und der Vorspannweg beträgt 1 mm.
Die flexiblen Anschlagpuffer werden durch die Distanzhülsen ersetzt, welche zwischen Verspanndeckel und Spannhaken eingesetzt wird. Dadurch wird gewährleitet, dass beim Anschrauben der M6-Schrauben bis zum Anschlag die erforderliche Vorspannkraft der Tellerfeder anliegt. Die Verschraubung bewirkt die Federvorspannung von 1mm. Dabei werden die Distanzen so ausgeglichen, dass nach 1mm Vorspannung die Verschraubung in den Endanschlag kommt.
Die Höhe der Stifte im Verspanndeckel wurde von 10 mm auf 8 mm reduziert, wodurch nur noch eine Passscheibe nötig ist. Die minimal zulässige Höhe beträgt 5,2 mm von Oberkante Verspanndeckel bis Oberkante Tellerfeder bei maximal zulässiger Vorspannung. Zur Bestimmung der Höhe der Distanzhülse muss von diesem Maß die Höhendifferenz von 0,6 mm zwischen Oberkante Verspanndeckel und Oberkante Schelle abgezogen werden. Dadurch ergibt sich eine Distanzhülse mit einer Höhe von 4,6 mm. Um die eingespannten Teile jedoch nicht unnötig zu belasten, wird bei der Berechnung der einzustellenden Höhe den Mittelwert zwischen der Federhöhe bei maximaler Belastung und der erforderlichen Belastung genommen. Daraus ergibt sich eine Höhe der Distanzhülse von 5 mm und eine Vorspannung der Tellerfeder von 1 mm. Somit ergeben sich die Abmaße für die Höhe 5 mm und Innendurchmesser 6mm, aufgrund der M6-Schrauben.
Bei der Montage muss der Höhenunterschied zwischen Boilerdeckel und Spannhaken gemessen werden. Abweichungen von den angegebenen Maßen müssen durch Ausgleichsscheiben ausgeglichen werden.
Der Lochkreisradius für die drei M6-Schrauben beträgt 78 mm. Diese Länge entspricht dem Abstand zwischen den Löchern, die die drei Bleche verbinden und den Bohrungen für M6-Schrauben. Nach Berücksichtigung der Bohrungsdurchmesser beträgt die Mindestlänge eines Verspannblechs 87 mm. Die Mindestblechstärke beträgt 8 mm. [Analyse Glasboiler, Erik Reitsam]
Die Festigkeit und Durchbiegung der Bleche, einschließlich des Stifts, muss durch eine FEM-Analyse überprüft werden. Die Blechteile werden CNC gefertigt – dafür muss ein geeigneter Lieferant gefunden werden. Die Distanzhülsen und Stifte/Bolzen können mit den gewünschten Maßen als Kaufteil (z.B. Misumi) bei einem Lieferanten erworben werden.
Voraussichtliche Kosten der Bauteile des Verspanndeckels in Abhängigkeit der Bestellstückzahl:
Konzept 1: Stiftverbindung
Die drei Schenkelbleche des Sterns werden über einen Stift, mit den Abmaßen 4h8x20 (ISO 2338), miteinander verbunden. Um eine Stiftverbindung realisieren zu können, benötigen die Schenkelbleche eine Durchmesser 4 mm-Bohrung. Die Bohrung des Blechs mit den äußeren Laschen wird mit dem Stift über eine Presspassung verbunden, die anderen beiden Bleche über eine Spielpassung. Die entstehende Verbindung ist form- und kraftschlüssig und dient zur scherfesten Verbindung von Bauteilen.
Konzept 2: Verschraubung
Die drei Schenkelbleche des Sterns werden über eine Senkkopfschraube mit Innensechskant, mit den Abmaßen M3x20, miteinander verschraubt. Die drei Bleche benötigen somit alle ein M3 Innengewinde. An der Unterseite des äußeren Blechs wird jedoch noch eine Formsenkung mit 90° benötigt. Diese Verbindung ist rein formschlüssig.
Im weiteren Verlauf wird das erste Konzept weiterverfolgt, jedoch besitzen alle Bohrungen der Schenkel eine Presspassung mit dem Stift.
Armin Rohnen, 15.03.2022
Der vorhandene Spanndeckel biegt sich zu sehr bei der Verspannung durch. Es wird eine steifere Lösung benötigt. Die Idee ist in Form eines dreischenkligen Sterns eine dreiteilige Verspannung aufzubauen. Die drei Schenkel des Sterns werden über einen Bolzen/Stift miteinander verbunden.