WZM II Theme 14
Thermisches Verhalten
Thermisches Verhalten
Nennen Sie die vier Deformationsarten, die zu Lageänderungen an Werkzeugmaschinen führen können!
- Parallelverlagerung
- Winkelverlagerung
- Axialverlagerung
- Ebenheitsfehler
Skizzieren Sie die thermische Wirkungskette, nennen Sie die vier Transformationen und geben Sie je ein Beispiel für die internen Rückführungen!
Innere Rückführung:
Durch Temperaturzunahme verringerung der Ölviskosität in Lagern --> dadurch Beeinflussung der Lagerreibung
Äußere Rückführung:
Vorspannungsänderung in Lagerungen durch Verformungen --> Veränderung der Lagerreibung
Nennen Sie die 4 Transformationsstufen der thermischen Wirkungskette!
- Umwandlung
- Wärmeverteilung
- Verformung
- Verlagerung
Welche Wärmeübertragungsmechanismen gibt es? Geben Sie außerdem die charakteristischen Eigenschaften an!
- Wärmeleitung
- in Festkörpern; ohne Stofftransport; Wärmestrom durch eine ebene Wand der Dicke s und der Fläche A (Bild)
- Konvektion
- in Fluiden; mit Stofftransport (Bewegung der Moleküle im Raum)
- freie Konvektion (Bewegung nur durch Dichteunterschiede)
- erzwungene Konvektion
- Formel
- Wärmestrahlung
- in Luft und im Vakuum durch elektromagnetische Strahlung
- ohne Stofftransport
- Formel
Nehmen Sie eine Einteilung der thermischen Störeinflüsse auf eine Werkzeugmaschine vor, und nennen Sie zusätzlich jeweils mindestens zwei Beispiele!
- externe Störeinflüsse
- Hallenklima
- direkter Strahleneinfluss (Sonne)
- interne Störeinflüsse
- Antriebsverlust
- Lager
- Getriebe
- Zerspanungswärme
- Werkzeug
- Werkstück
- Antriebsverlust
Nennen Sie 4 thermische Störeinflüsse an Werkzeugmaschinen und unterteilen Sie diese in externe und interne Störeinflüsse!
extern:
- Hallenklime
- direkter Strahleneinfluss (Sonne)
intern
- Antreibsverlust an Lager
- Zerspanungswärme an Werkzeug
Akizzieren Sie die Wärmequellen in der Zerspanzone und benennen Sie die relevanten Bereiche!
Diagramm
Nennen Sie 6 Einflussgrößen auf die Wärmeentwicklung in Wälzlagern!
- Vorspannung
- Schmierung
- Lagerbauart
- Lagergröße
- Drehzahl
- Lagerbelastung
Skizzieren Sie den zeitabhängigen Temperaturverlauf für die Erwärmung eines thermischen idealen Systems, und tragen Sie die charakteristischen Temperaturen sowie die Zeitkonstante ein!
Diagramm
Skizzieren Sie den zeitabhängigen Temperaturverlauf für die Abkühlung eines thermischen idealen Systems, und tragen Sie die charakteristischen Temperaturen sowie die Zeitkonstante ein!
Diagramm
Was ist die Beharrungstemperatur thetaB und wovon ist diese abhängig?
Die Temperatur eines Körpers nähert sich ausgehend von der Anfangstemperatur θ0 exponentiell einer Beharrungstemperatur θB bei der Erwärmung beziehungsweise der Raumtemperatur θR bei der Abkühlung an.
Abhängig von:
- dem Wärmeübergangswiderstand R
- dem zugeführten Wärmestrom φ
Wie ist die Zeitkonstante definiert? Bennen Sie die Formelzeichen!
Die Zeitkonstante T kann interpretiert werden als das Verhältnis von Wärmespeicherfähigkeit zu Wärme- abgabefähigkeit eines Körpers.
T= (c • ρ • V) / (αK • A)
c = spezifische Wärme
ρ = Dichte
V = Volumen
A = wärmeabgebende Fläche
αK = Wärmeübergangsloeffizient
Welche konkreten Maßnahmen können ergriffen werden, um die thermische Zeitkonstante zu senken?
- wärmeabgebende Fläche vergrößern
- Bauteilvolumen verkleinern
- Dichte oder spez. Wärme senken
- Wärmeübergangskoeffiient erhöhen
Nennen und skizzieren Sie die Arten der thermischen Verformung!
Diagramm
Nennen Sie die Arten der thermischen Verformung!
- lineare Dehnung
- Biegung bei einseitiger Einspannung
- Biegung bei freier Auflage
Nennen Sie mindesten 4 konstruktive Maßnahmen zur Verbesserung des thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen!
- thermisch optimierte Konstruktion
- thermosymmetrisch
- Kompenation von Verlagerungen
- thermisch optimierte Werkstoffauswahl
- geringer Ausdehnungskoeffizient
- gute Wärmeleitfähigkeit
Nennen Sie drei konstruktive und drei kompensatorische Maßnahmen zur Verbesserung des thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen!
konstruktive:
- thermisch optimierte Konstruktion
- thermosymmetrisch
- Kompenation von Verlagerungen
- thermisch optimierte Werkstoffauswahl
- geringer Ausdehnungskoeffizient
- gute Wärmeleitfähigkeit
kompensatorisch:
- Eingriff in die Energieauswahl
- geregelte Kühlung/Heizung
- ohne EIngriff in die Energieauswahl
- Nachstellen des Werkstück/Werkzeug in Abhängigkeit von signifikanten Parametern
- Entwicklung von Kompensationsalgorithmen
Nennen Sie eine Eingriffsmöglichkeit zur Verbesserung des thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen! Geben Sie hierzu ein Beispiel für die Verminderung von Verlagerungen!
- Verringerung der wirksamen Bauteillänge
- thermosymmetrische Konstruktion
Nennen Sie EIngriffsmöglichkeiten zur Verbesserung des thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen! Geben Sie je ein Beispiel an für die folgenden Eingrifffsmöglichkeiten
- Verminderung der Temperaturzunahme
- Verminderung der thermischen Verformung
- Wärmeabfuhr erhöhen (Schmierung/Kühlung)
- Werkstoff mit geringem Wärmeausfehnungskoeffizienten α
Skizzieren und beschriften Sie ein Sankey-Diagramm zur Wärmebilanz interner Wärmequellen am Beispiel des Umfangfräsens mit Kühlschmierung!
Diagramm
Geben Sie die Formeln für
- die Wärmeleitungdurch eine ebene Wand der Dicke s und der Fläche A
- die Wärmeübertragung von der Oberfläche eines festen Körpers auf ein Fluid (Konvektion) und
- den Wärmestrom zw. zwei parallelen Platten unterschiedlicher Temperaturen (Wärmestrahlung)
an. Benennen Sie die in den Formeln auftretenden Konstanten!
Diagramm
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Lernkarten
Nennen Sie die vier Deformationsarten, die zu Lageänderungen an Werkzeugmaschinen führen können!
- Parallelverlagerung
- Winkelverlagerung
- Axialverlagerung
- Ebenheitsfehler
Skizzieren Sie die thermische Wirkungskette, nennen Sie die vier Transformationen und geben Sie je ein Beispiel für die internen Rückführungen!
Innere Rückführung:
Durch Temperaturzunahme verringerung der Ölviskosität in Lagern --> dadurch Beeinflussung der Lagerreibung
Äußere Rückführung:
Vorspannungsänderung in Lagerungen durch Verformungen --> Veränderung der Lagerreibung
Nennen Sie die 4 Transformationsstufen der thermischen Wirkungskette!
- Umwandlung
- Wärmeverteilung
- Verformung
- Verlagerung
Welche Wärmeübertragungsmechanismen gibt es? Geben Sie außerdem die charakteristischen Eigenschaften an!
- Wärmeleitung
- in Festkörpern; ohne Stofftransport; Wärmestrom durch eine ebene Wand der Dicke s und der Fläche A (Bild)
- Konvektion
- in Fluiden; mit Stofftransport (Bewegung der Moleküle im Raum)
- freie Konvektion (Bewegung nur durch Dichteunterschiede)
- erzwungene Konvektion
- Formel
- Wärmestrahlung
- in Luft und im Vakuum durch elektromagnetische Strahlung
- ohne Stofftransport
- Formel
Nehmen Sie eine Einteilung der thermischen Störeinflüsse auf eine Werkzeugmaschine vor, und nennen Sie zusätzlich jeweils mindestens zwei Beispiele!
- externe Störeinflüsse
- Hallenklima
- direkter Strahleneinfluss (Sonne)
- interne Störeinflüsse
- Antriebsverlust
- Lager
- Getriebe
- Zerspanungswärme
- Werkzeug
- Werkstück
- Antriebsverlust
Nennen Sie 4 thermische Störeinflüsse an Werkzeugmaschinen und unterteilen Sie diese in externe und interne Störeinflüsse!
extern:
- Hallenklime
- direkter Strahleneinfluss (Sonne)
intern
- Antreibsverlust an Lager
- Zerspanungswärme an Werkzeug
Akizzieren Sie die Wärmequellen in der Zerspanzone und benennen Sie die relevanten Bereiche!
Diagramm
Nennen Sie 6 Einflussgrößen auf die Wärmeentwicklung in Wälzlagern!
- Vorspannung
- Schmierung
- Lagerbauart
- Lagergröße
- Drehzahl
- Lagerbelastung
Skizzieren Sie den zeitabhängigen Temperaturverlauf für die Erwärmung eines thermischen idealen Systems, und tragen Sie die charakteristischen Temperaturen sowie die Zeitkonstante ein!
Diagramm
Skizzieren Sie den zeitabhängigen Temperaturverlauf für die Abkühlung eines thermischen idealen Systems, und tragen Sie die charakteristischen Temperaturen sowie die Zeitkonstante ein!
Diagramm
Was ist die Beharrungstemperatur thetaB und wovon ist diese abhängig?
Die Temperatur eines Körpers nähert sich ausgehend von der Anfangstemperatur θ0 exponentiell einer Beharrungstemperatur θB bei der Erwärmung beziehungsweise der Raumtemperatur θR bei der Abkühlung an.
Abhängig von:
- dem Wärmeübergangswiderstand R
- dem zugeführten Wärmestrom φ
Wie ist die Zeitkonstante definiert? Bennen Sie die Formelzeichen!
Die Zeitkonstante T kann interpretiert werden als das Verhältnis von Wärmespeicherfähigkeit zu Wärme- abgabefähigkeit eines Körpers.
T= (c • ρ • V) / (αK • A)
c = spezifische Wärme
ρ = Dichte
V = Volumen
A = wärmeabgebende Fläche
αK = Wärmeübergangsloeffizient
Welche konkreten Maßnahmen können ergriffen werden, um die thermische Zeitkonstante zu senken?
- wärmeabgebende Fläche vergrößern
- Bauteilvolumen verkleinern
- Dichte oder spez. Wärme senken
- Wärmeübergangskoeffiient erhöhen
Nennen und skizzieren Sie die Arten der thermischen Verformung!
Diagramm
Nennen Sie die Arten der thermischen Verformung!
- lineare Dehnung
- Biegung bei einseitiger Einspannung
- Biegung bei freier Auflage
Nennen Sie mindesten 4 konstruktive Maßnahmen zur Verbesserung des thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen!
- thermisch optimierte Konstruktion
- thermosymmetrisch
- Kompenation von Verlagerungen
- thermisch optimierte Werkstoffauswahl
- geringer Ausdehnungskoeffizient
- gute Wärmeleitfähigkeit
Nennen Sie drei konstruktive und drei kompensatorische Maßnahmen zur Verbesserung des thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen!
konstruktive:
- thermisch optimierte Konstruktion
- thermosymmetrisch
- Kompenation von Verlagerungen
- thermisch optimierte Werkstoffauswahl
- geringer Ausdehnungskoeffizient
- gute Wärmeleitfähigkeit
kompensatorisch:
- Eingriff in die Energieauswahl
- geregelte Kühlung/Heizung
- ohne EIngriff in die Energieauswahl
- Nachstellen des Werkstück/Werkzeug in Abhängigkeit von signifikanten Parametern
- Entwicklung von Kompensationsalgorithmen
Nennen Sie eine Eingriffsmöglichkeit zur Verbesserung des thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen! Geben Sie hierzu ein Beispiel für die Verminderung von Verlagerungen!
- Verringerung der wirksamen Bauteillänge
- thermosymmetrische Konstruktion
Nennen Sie EIngriffsmöglichkeiten zur Verbesserung des thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen! Geben Sie je ein Beispiel an für die folgenden Eingrifffsmöglichkeiten
- Verminderung der Temperaturzunahme
- Verminderung der thermischen Verformung
- Wärmeabfuhr erhöhen (Schmierung/Kühlung)
- Werkstoff mit geringem Wärmeausfehnungskoeffizienten α
Skizzieren und beschriften Sie ein Sankey-Diagramm zur Wärmebilanz interner Wärmequellen am Beispiel des Umfangfräsens mit Kühlschmierung!
Diagramm
Geben Sie die Formeln für
- die Wärmeleitungdurch eine ebene Wand der Dicke s und der Fläche A
- die Wärmeübertragung von der Oberfläche eines festen Körpers auf ein Fluid (Konvektion) und
- den Wärmestrom zw. zwei parallelen Platten unterschiedlicher Temperaturen (Wärmestrahlung)
an. Benennen Sie die in den Formeln auftretenden Konstanten!
Diagramm
