Nicht jede Last verhält sich wie ein Zug. Hier ordnest du die Lasten der alten Bahn und ihrer Nachbarn nach Lastarten, zeichnest ihre Kennlinien und hältst für jeden Antrieb fest, was er leisten muss. Nimm deine Kräftebilanz aus Lernangebot 1 dazu.
Schritt 3 von 5. Du unterscheidest Lastarten, beschreibst Fahrwiderstand, Rampe, Lüfter, Tür und Rührwerk als Lastkennlinien, bestimmst einen Arbeitspunkt und erstellst Atlas und Steckbriefe.
Danach: Rechenwege und Lösungen Teil 1
Der wichtigste Satz auf dieser Seite: Eine Lastkennlinie sagt, welches Moment die Arbeitsmaschine bei welcher Drehzahl verlangt. Wer sie kennt, weiß, wie viel Leistung eine Drehzahländerung kostet oder spart.
Am Ende hast du: den Lastkennlinien-Atlas mit fünf Lasten, den Arbeitspunkt des Zugs in der Rampe und je Antrieb einen Steckbrief der Last- und Prozesssituation.
Karte „Formeln der Antriebstechnik“: Kräfte, Moment, Leistung, Drehzahl und Geschwindigkeit, Energie, Effektivmoment und die Umrechnungen aus dem Wirtschaftsraum Nordamerika. Die Karte steht im Wissensspeicher. Leg sie neben jede Rechnung.
Erst du, dann die anderen
Für den Atlas brauchst du für jeden Antrieb eine Kennlinie M(n). Für den Fahrmotor hast du Kräfte gerechnet, für Lüfter, Tür und Rührwerk noch nicht. Woher bekommst du die Kennlinie? Den Weg gibt dir keiner vor. Wie würdest du vorgehen?
So gehen andere vor. Such dir einen Weg aus.
- Physikalisch herleiten. Du fragst, woher das Moment kommt: Reibung, Hubarbeit, Strömung, Massenträgheit. Daraus folgt die Form der Kennlinie, auch für Fälle, die es noch nicht gibt. Die Zahlenwerte brauchen trotzdem einen Bemessungspunkt, und Mischformen erkennst du nur, wenn du alle Ursachen findest.
- Im Betrieb messen. Viele Umrichter zeichnen Moment und Drehzahl auf. Eine Trendaufzeichnung über einen Tag zeigt die echte Kennlinie mit allen Lastzuständen. Dafür braucht es einen laufenden Antrieb mit Umrichter, und die Messung zeigt nur das Heute.
- Datenblatt und Erfahrungswerte nutzen. Lüfterhersteller liefern Kennfelder, das Tabellenbuch nennt typische Lastarten. Das geht schnell. Ob die Angaben zu deinem Einbau passen, etwa zur Temperatur des Glykols im Rührwerk, sagt dir niemand.
Es gibt hier nicht den einen richtigen Weg. Entscheide dich für einen und schreibe dazu, weshalb.
Gegebene Werte: Lasten im Wagen, an der Station und zum Vergleich · aufklappen, wenn du rechnest
Gegebene Werte: Lasten im Wagen, an der Station und zum Vergleich
- Fahrmotor MA1
- Werte zu Zug und Strecke wie in Lernangebot 1 · Antriebskennlinie: konstantes Moment bis 25 km/h, darüber konstante Leistung; die Eckleistung nimmst du aus deiner Kräftebilanz in Aufgabe 1.4
- Verdampferlüfter MA21
- Radiallüfter direkt auf der Motorwelle · bei 50 Hz: 2,2 kW Wellenleistung, 1.450 min−1, Volumenstrom 1,5 m³/s, Druckerhöhung 950 Pa · drehzahlgeregelt über den Umrichter des Klimageräts zwischen 30 Hz und 50 Hz
- Bahnsteigtür MA11
- zwei Flügel, Zahnriemen, Servoantrieb · Öffnen und Schließen nach einem Bewegungsprofil aus Beschleunigen, Fahren, Bremsen · Auslegung in Teil 5
- Rührwerk MA71
- Rührer in einem Behälter mit Glykol-Wasser-Gemisch zur Aufbereitung des Enteisungsmittels · Zähigkeit des Gemischs stark von der Temperatur abhängig · nach längerem Stillstand setzen sich Rückstände am Boden ab
- Lastarten
- konstant, linear, quadratisch, hyperbolisch (konstante Leistung)
Alle Werte zur alten Bahn sind Unterrichtswerte. Zahlen zum Flughafen sind öffentliche Größenordnungen, gerundet.
Dein Lernprodukt im Einzelnen
Dein Lernprodukt
Lastkennlinien-Atlas und Steckbriefe
Darauf laufen die Aufgaben dieses Lernangebots zu. Die Aufgaben sind die Stufen dorthin, das Lernprodukt ist das Ergebnis.
Es besteht aus
- der Zuordnung der vier Lastarten mit M(n) und P(n) und je einem Beispiel
- der Lastkennlinie des Fahrwiderstands und der Rampe am Fahrmotor, mit Werten in Nm
- der Rechnung für den Verdampferlüfter bei 50 Hz, 40 Hz und 30 Hz nach den Affinitätsgesetzen
- dem Arbeitspunkt des Zugs in der Rampe als Schnittpunkt von Antriebs- und Lastkennlinie
- dem Atlas: Fahrmotor in Nm, Lüfter, Rührwerk und Tür bezogen, jede Kennlinie mit Lastart, Quadrant und Einordnung
- je einem Steckbrief für Fahrmotor, Verdampferlüfter, Bahnsteigtür und Rührwerk
Zur Dokumentation
Der Atlas passt auf eine Seite, die Steckbriefe stehen als Tabelle daneben. In jedem Steckbrief ist markiert, was gemessen, was gerechnet und was angenommen ist. Die Steckbriefe gehen unverändert in das Lastenheft.
Zusammen mit dem Fahrspiel aus Lernangebot 1 ist das der Teil „Last- und Leistungsbedarf“ des Lastenhefts (Meilenstein M1), abgenommen im Kreuzreview am Ende von Teil 2.
2.1Unterscheide die vier Lastarten im Bild
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Aufgabe 2.1
Unterscheide die vier Lastarten im Bild:
- Ordne den Kennlinien A bis D die Lastarten konstant, linear, quadratisch und hyperbolisch zu.
- Gib für jede Lastart an, wie die Leistung von der Drehzahl abhängt.
- Nenne für jede Lastart ein Beispiel aus Industrie, Flughafen oder Bahn.
- Erkläre, weshalb sich eine Last mit hyperbolischer Kennlinie nicht bis zur Drehzahl null betreiben lässt.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Moment von Arbeitsmaschinen · Drehmoment · Kennlinien
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2.2Beschreibe den Fahrwiderstand als Lastkennlinie am Fahrmotor
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Aufgabe 2.2
Beschreibe den Fahrwiderstand als Lastkennlinie am Fahrmotor:
- Berechne das Moment je Motor, das der Rollwiderstand des vollen Zugs verursacht.
- Berechne den Anteil des Luftwiderstands am Moment bei 25 km/h und bei 50 km/h.
- Stelle die Lastkennlinie M(n) für die Fahrt in der Ebene als Formel auf.
- Ordne die Kennlinie den Lastarten zu.
- Beurteile, welcher Anteil das Moment in der Beharrung bestimmt.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Moment von Arbeitsmaschinen · Reibungszahl · Reibung · Kraft
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2.3Untersuche die Rampe als Hubarbeit
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Aufgabe 2.3
Untersuche die Rampe als Hubarbeit:
- Berechne das Moment je Motor, das die Steigungskraft allein beim Hinauffahren verlangt.
- Berechne die Leistung je Motor, die allein für das Heben bei 25 km/h und bei 50 km/h nötig ist.
- Berechne die Lageenergie, die der volle Zug auf der Rampe gewinnt, in kJ und in kWh.
- Vergleiche die Rampe mit einer Hubvorrichtung, etwa einer Hebeanlage in der Werkstatt, und gib die Lastart an.
- Erkläre, was bei der Talfahrt mit Moment und Energie geschieht.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Fallbeschleunigung · Vierquadrantenbetrieb · Bremsen, elektrisches · Arbeit, mechanische · Energie der Lage
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2.4Berechne den Verdampferlüfter MA21 mit den Affinitätsgesetzen
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Aufgabe 2.4
Berechne den Verdampferlüfter MA21 mit den Affinitätsgesetzen:
- Berechne das Moment an der Lüfterwelle bei 50 Hz.
- Berechne Drehzahl, Volumenstrom, Druckerhöhung, Leistung und Moment bei 40 Hz und bei 30 Hz.
- Stelle Leistung und Moment über der Drehzahl als Kennlinie dar.
- Erkläre, weshalb der Lüfter bei halbem Volumenstrom nur noch ein Achtel der Leistung braucht.
- Vergleiche die Drehzahlstellung über den Umrichter mit dem Drosseln über eine Klappe.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Moment von Arbeitsmaschinen · Ventilator · Energie-Einsparpotenzial · Drehzahlregelung
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2.5Vergleiche Bahnsteigtür und Rührwerk mit dem Lüfter
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Aufgabe 2.5
Vergleiche Bahnsteigtür und Rührwerk mit dem Lüfter:
- Skizziere das Moment des Türantriebs über der Drehzahl für einmal Öffnen mit Beschleunigen, Fahren und Bremsen.
- Begründe, weshalb sich die Tür nicht durch eine einzige Kennlinie M(n) beschreiben lässt.
- Skizziere die Lastkennlinie des Rührwerks und begründe ihre Form mit der Zähigkeit des Glykol-Wasser-Gemischs.
- Erkläre, weshalb das Rührwerk nach längerem Stillstand beim Anfahren ein höheres Moment braucht.
- Ordne Lüfter, Tür und Rührwerk als drehzahlvariabel oder positionsvariabel ein.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Servomotor · Bewegungslehre · Moment von Arbeitsmaschinen · Reibung
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2.6Bestimme den Arbeitspunkt des Zugs in der Rampe
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Aufgabe 2.6
Bestimme den Arbeitspunkt des Zugs in der Rampe:
- Zeichne die verfügbare Zugkraft des Zugs über der Geschwindigkeit von 0 bis 60 km/h aus dem Grenzmoment und deiner Eckleistung.
- Zeichne den Fahrwiderstand in der Ebene und in der Rampe in dasselbe Diagramm.
- Bestimme die Geschwindigkeit im Schnittpunkt für die Rampe.
- Erkläre, weshalb der Zug auf der 250 m langen Rampe trotzdem nur wenig langsamer wird.
- Erkläre, weshalb in der Ebene nicht der Schnittpunkt, sondern die Höchstgeschwindigkeit den Arbeitspunkt festlegt.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Antriebstechnik · Käfigläufermotor · Moment von Arbeitsmaschinen · Dauerbetrieb
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2.7Erstelle den Lastkennlinien-Atlas
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Aufgabe 2.7
Erstelle den Lastkennlinien-Atlas:
- Zeichne für den Fahrmotor die Lastkennlinien eben, Rampe aufwärts und Rampe abwärts in ein Diagramm mit Werten in Nm.
- Zeichne Lüfter, Rührwerk und Bahnsteigtür bezogen auf ihren Bemessungspunkt in ein zweites Diagramm.
- Kennzeichne jede Kennlinie mit ihrer Lastart.
- Markiere die Kennlinien, die in den Generatorbetrieb führen.
- Gib für jeden Antrieb an, ob er drehzahlvariabel oder positionsvariabel betrieben wird.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Moment von Arbeitsmaschinen · Quadranten der Antriebe · Frequenzumrichter · Wegmessung
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2.8Erstellt für jeden Antrieb einen Steckbrief der Last- und Prozesssituation
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Aufgabe 2.8
Erstellt für jeden Antrieb einen Steckbrief der Last- und Prozesssituation:
- Erfasst je Antrieb Aufgabe, Bewegungsart, Lastart, Bereich von Moment und Drehzahl, Anlauf, Bremsen, Quadranten und Betriebsdauer.
- Unterscheidet, was gemessen, was gerechnet und was angenommen ist.
- Entscheidet je Antrieb, ob er drehzahlvariabel, positionsvariabel oder mit fester Drehzahl laufen soll, und begründet das.
- Bewertet, welche Angabe im Steckbrief des Fahrmotors die Auswahl des Motors am stärksten bestimmt.
- Vergleicht eure Steckbriefe mit denen eines anderen Teams und klärt Unterschiede.
| Merkmal | MA1 Fahrmotor | MA21 Verdampferlüfter | MA11 Bahnsteigtür | MA71 Rührwerk |
|---|---|---|---|---|
| Aufgabe | ||||
| Bewegungsart | ||||
| Lastart | ||||
| Moment von … bis | ||||
| Drehzahl von … bis | ||||
| Anlauf | ||||
| Bremsen | ||||
| Quadranten | ||||
| drehzahl- oder positionsvariabel | ||||
| Betriebsdauer | ||||
| gemessen, gerechnet, angenommen |
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Lastenheft · Antriebstechnik · Betriebsarten · Anzugsmoment · Vierquadrantenbetrieb
Im Team Diese Aufgabe bearbeitet ihr im Projektteam. Jede und jeder kann das Ergebnis am Ende erklären.
Die Lage ändert sich
Im Hochsommer soll das Klimagerät mit 110 % der bisherigen Lüfterdrehzahl laufen, damit die Wagen bei vollem Zug kühl bleiben. Der Umrichter des Klimageräts gäbe dafür 55 Hz aus; die Spannung des Bordnetzes bleibt bei 400 V.
Überprüfe dein Lernprodukt an diesem Fall:
- Prüfe, wie sich Volumenstrom, Druckerhöhung, Moment und Leistung des Lüfters ändern.
- Beurteile, ob der Motor MA21 mit 2,2 kW das dauerhaft verträgt.
- Entscheide, was du im Steckbrief des Lüfters änderst und was du dem Bahnbetrieb empfiehlst.
Mit Lernpartner Diese Überprüfung macht ihr zu zweit. Wer beide Fälle erklären kann, hat die Sache verstanden.