Konstruktion eines Niederschlagsmessers Studienarbeit im Studiengang Maschinenbau / Konstruktion mit Informationsmanagement an der Berufsakademie Ravensburg Außenstelle Friedrichshafen
Vorgelegt von Ingenieurassistent (BA) Andreas Boltze TMK04 aus Kirchheim b. München Ingenieurassistent (BA) Thomas Lanz TMK04 aus Duisburg
Betreuer: Herr Dipl. Ing. (BA) Lau Prüfer: Herr Dipl. Ing. (BA) Lau, Herr Prof. Dr. Freitag Friedrichshafen, Juni 2007
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Erklärung
Erklärung
Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit mit dem Titel Konstruktion eines Niederschlagsmessers selbständig angefertigt, nicht anderweitig zu Prüfungszwecken vorgelegt, keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel benutzt und wörtliche sowie sinngemäße Zitate als solche gekennzeichnet habe.
Friedrichshafen, Juni 2007
______________________
______________________
II
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Kurzzusammenfassung
Kurzzusammenfassung
Um eine Regenwippe der BA Friedrichshafen in Betrieb zu nehmen, die in vorangegangenen Studienarbeiten konstruiert, gebaut und kalibriert wurde, ist ein Gehäuse erforderlich. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Konstruktion dieses Gehäuses. Das gesamte Paket wird als Niederschlagsmesser bezeichnet. Für die Konstruktion wurde nach dem Prinzip der Konstruktionssystematik systematisch vorgegangen und die Arbeit in verschiedene Phasen gegliedert. Zudem wurde die Gesamtkonstruktion in einzelne Funktionsgruppen aufgeteilt. Das Ergebnis der Arbeit ist die Konstruktion mit 2D-Ableitungen aller Bauteile mit dazugehörigen Statik-, Geometrie- und Wärmeberechnungen. Zudem wurden die meisten Bauteile gefertigt bzw. eingekauft. Die Arbeit umfasst zudem eine ausführliche Montageanleitung.
Abstract
To implement a rocker for measurements of precipitation at the University of Applied Science in Friedrichshafen it is necessary to construct a box to hold the rocker. The rocker was constructed and calibrated by preceding works of students. This work deals with the construction of the box for the rocker. The whole gadget can then be used as a professional precipitation measurement device. To construct as efficient as possible a systematic mode of operation was used. Therefore the whole work was split into several phases of work. Moreover the whole gadget was split into several functional parts which were dealt with separately. As a conclusion the drawings of all parts were done including the calculations concerning statics, geometry and heat transmission. Moreover most parts were fabricated or bought. Additionally the work includes complete assembly instructions.
III
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1. 2. 3.
Einleitung ....................................................................................................................1 Zielsetzung..................................................................................................................2 Konzept .......................................................................................................................3 3.1. Randbedingungen................................................................................................3 3.2. Teilfunktionen.......................................................................................................4 3.3. Analyse der Einzellösungen.................................................................................6 3.3.1. Auffangring...................................................................................................7 3.3.2. Auffangtrichter..............................................................................................8 3.3.3. Regenwippe ...............................................................................................11 3.3.4. Ablauftrichter ..............................................................................................13 3.3.5. Halterung und Bodenplatte ........................................................................14 3.3.6. Außenwand ................................................................................................20 3.4. Wärmeberechnung ............................................................................................22 3.4.1. Auffangtrichter............................................................................................22 3.4.2. Ablauftrichter ..............................................................................................25 3.4.3. Auffangring.................................................................................................26 3.5. Implementierung der Heizelemente ...................................................................27 4. Entwurf ......................................................................................................................30 4.1. Auffangring.........................................................................................................30 4.2. Auffangtrichter....................................................................................................31 4.2.1. Material und Oberfläche.............................................................................31 4.2.2. Geometrieauslegung..................................................................................32 4.2.3. Befestigung ................................................................................................34 4.3. Gewindestangen ................................................................................................35 4.3.1. Gewindestangen für den Bauraum ............................................................35 4.3.2. Gewindestangen für die Regenwippe ........................................................38 4.4. Außenwand........................................................................................................39 4.5. Wippenbefestigung ............................................................................................40 4.6. Ablauftrichter......................................................................................................41 4.7. Halterung ...........................................................................................................41 4.8. Bodenplatte........................................................................................................42 5. Detaillierung..............................................................................................................43 6. Fertigung ...................................................................................................................44 6.1. Bauteilfertigung ..................................................................................................44 6.1.1. Externe Fertigung.......................................................................................44 6.1.2. Interne Fertigung........................................................................................45 6.2. Montageanleitung ..............................................................................................49 7. Zusammenfassung und Ausblick ...........................................................................53
IV
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Einleitung
1.
Einleitung
Die Erfassung von Wetterdaten ist für viele Anwendungen interessant. Diese reichen vom Flugverkehr über Schifffahrt und Straßenverkehr auch bis hin zur privaten Freizeitgestaltung. Gehört doch das Wetter zu den Topgesprächsthemen zu jedem Anlass! Ob zu heiß, oder zu kalt, das Wetter gibt immer Grund zu Diskussionen. Nur durch die professionelle Erfassung von Wetterdaten sind wir jedoch in der Lage, qualitativ hochwertige Beiträge zu erbringen. Die wichtigsten Wetterdaten sind Temperatur, Niederschlag, Sonnenscheindauer und Wind. Gerade in der Bodenseeregion, mit schwankenden Witterungsbedingungen und ihrer „eigenen“ Wetterlage bedingt durch den großen See, ist das Wetter von besonderem Interesse. Speziell in Friedrichshafen ist das Wetter für Flugzeuge und Schiffe von großer Bedeutung. Als Tourismusmagnet interessieren sich auch viele Besucher für die Wetterlage im anstehenden Urlaub. Für diese Erfassung sorgt im Allgemeinen der Deutsche Wetterdienst, der jedoch von vielen privaten Wetterstationen unterstützt wird. Die BA Friedrichshafen baut derzeit eine komplette Wetterstation auf, die neben den oben erwähnten Daten auch Daten wie Luftdruck, Sichtweite oder die Bodenleitfähigkeit erfasst. Diese Arbeit befasst sich mit der Einheit des Niederschlagsmessers. Das Herzstück des Niederschlagsmessers ist eine Regenwippe nach dem Prinzip von Joss/Tognini. Die Konstruktion dieser Wippe, sowie ihre Kalibrierung zur Auswertung der Daten erfolgte in vorangegangenen Studienarbeiten. Das Prinzip der Wippe ist, dass diese zwei Kammern besitzt die abwechselnd mit Regen gefüllt werden. Ist eine Kammer voll, kippt die Wippe um und ihren Inhalt aus und die zweite Kammer wird befüllt. Die einzelnen Kippvorgänge werden erfasst und ausgewertet.
Abbildung 1-1: Regenwippe nach dem Prinzip von Joss/Tognini
Für ihren Einsatz im Freien benötigt die Wippe noch einen geeigneten Rahmen. Dieser Rahmen besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse und einer Einheit, die die Wippe mit Niederschlag beaufschlagt. Der von der Wippe ausgeschüttete Niederschlag muss wieder ans Freie abgegeben werden. Zudem müssen Randbedingungen erfüllt werden, so dass zum Beispiel der Einsatz bei winterlichen Temperaturen möglich ist. Die Konstruktion aller Bauteile um die Wippe herum wird in vorliegender Arbeit durchgeführt.
1
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Zielsetzung
2.
Zielsetzung
Ziel dieser Studienarbeit ist es einen Niederschlagsmesser unter Beachtung von gegebenen Randbedingungen zu konstruieren, zu fertigen, bzw. die Fertigung weiterzugeben und Kaufteile zu organisieren. Der Niederschlagsmesser wird mit der bereits vorhandenen Regenwippe ausgestattet und muss auf deren Konstruktion hin adaptiert werden. Es soll Niederschlag über eine definierte Fläche eingefangen werden, auf die vorhandene Regenwippe geleitet und wieder abgeführt werden. Die Randbedingungen für die Konstruktion sind folgende: Die Konstruktion sollte örtlichen Witterungsgegebenheiten und zusätzlichen äußeren Belastungen standhalten. Die Messung des Niederschlages sollte möglichst exakt durchgeführt werden können. Die Regenwippe soll einfach ausbaubar sein und vor Schmutz geschützt werden.
2
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept
3.
Konzept 3.1.
Randbedingungen
Die Randbedingungen für den Niederschlagsmesser sind wie folgt gegeben: Durch Studienarbeiten von Hauck, Pahl, [4] sowie Dillig [3] existiert eine Regenwippe, die fertig kalibriert ist und für die eine Software einsatzbereit vorliegt.
Abbildung 3-1: Regenwippe von Hauck, Pahl; [3]
Die in Abbildung 3-1 dargestellte Regenwippe funktioniert nach folgendem Prinzip: Regen tropft in eine der Kammern (2) der Wippe (1). Bei 2 g Niederschlag reicht das Moment durch die Masse des Wassers für ein Umkippen der Wippe. Hierbei fährt ein Magnet an einem Sensor (4) vorbei und der Zeitpunkt und die Anzahl der Kippvorgänge wird durch eine Software registriert. Durch das Schneidenlager (3) ist die Regenwippe sehr wartungsarm und reibungsfrei. Damit das Prinzip gut funktionieren kann ist die Wippe absolut horizontal zu lagern. Eine Anforderung, die der Niederschlagsmesser erfüllen muss. Der Niederschlagsmesser wird nahe der BA Ravensburg, Außenstelle Friedrichshafen auf einem freien Feld aufgestellt. Hier ist ein 50 cm hoher Metallstab vorhanden, der folgende Maße besitzt:
Abbildung 3-2: Maße des Stahlrohres
3
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept Des Weiteren existieren ein Stromanschluss von 36V und 400VA und ein Datenkabel in der unmittelbaren Nähe des Stabes. Der Niederschlagsmesser soll in den vor Ort üblichen Witterungsverhältnissen einsetzbar sein. Hierzu gehören die Tauglichkeit bei Regen, Schnee und Hagel und die ausreichende Statik bei Wind. Die Maximalwerte für Niederschlag werden aus Daten des 06.03.2006 ermittelt [2]. Als grober Anhaltspunkt dienen Werte bei denen innerhalb 24 Stunden 50 mm Niederschlag fallen. Dies entspricht 50 l/m2 in 24 Stunden. Die in der Baustatik zu verwendenden Windgeschwindigkeiten sind in DIN 1055-4:2005-03 festgelegt [1]. Es wird zwischen vier Windzonen unterschieden. Friedrichshafen
Abbildung 3-3: Windzonen nach DIN 1055-4:2005-03; [1]
Abbildung 3-4: Windzonenkarte Deutschland; [1]
Der Windgeschwindigkeitsdruck wird gemäß der Norm zu 0,39 KN/m2 festgelegt. Der Temperaturbereich wird gemäß Erfahrungswerten zwischen -20 °C und 40 °C definiert.
3.2.
Teilfunktionen
Um ein bestmögliches Konzept zur Erfüllung der Anforderungen zu erreichen, ist es nötig die Gesamtfunktion in Teilfunktionen aufzutrennen. Der grobe Aufbau des Niederschlagsmessers ergibt sich aus Vorüberlegungen und soll wie folgt definiert sein:
4
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept
Auffangtrichter
Auffangring
Heizelemente
Gewindestangen Regenwippe
Außenwand
Ablauftrichter
Wippenbefestigung Heizregler
Ablauf
Bodenplatte
Halterung für Bodenbefestigung
Kabel
Abbildung 3-5: Grobes Konzept Regenwippe
Der Niederschlagsmesser wird wie in Abbildung 3-5 dargestellt in folgende Teilfunktionen aufgegliedert: Auffangring, Auffangtrichter, Regenwippe, Ablauftrichter, Halterung und Bodenplatte, Außenwand. Für die angeschriebenen Elemente werden die Teilfunktionen analysiert und verschiedene Lösungsmöglichkeiten erarbeitet.
5
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept
3.3.
Analyse der Einzellösungen
Abbildung 3-6: Analyse der verschiedenen Einzellösungen
6
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept
3.3.1.
Auffangring
Abbildung 3-7: Analyse Auffangring
Der Auffangring soll dazu dienen, den Niederschlag in einer von der WMO (World Meteorological Organization) genormten Auffangfläche von 200cm2 einzufangen und über den nachgeschalteten Auffangtrichter auf die Regenwippe zu leiten. Hierzu sollte der Auffangring eine kreisförmige Einfangfläche besitzen, die durch scharfe Kanten zu den Seiten hin abfällt. Dies gewährleistet, dass auch z.B. bei Wind nur der Niederschlag pro der definierten 200cm2 gemessen wird. Für die Positionierung des Auffangringes und die Befestigung haben wir uns für vier Gewindestangen entschieden. Diese verbinden die Bodenplatte mit dem Auffangring und sorgen so auch für eine mögliche vertikale Justage des Auffangringes bei der Montage des Niederschlagsmessers auf dem vorhandenen Stab. Durch eine entsprechende Länge der Stangen entsteht so der nötige Bauraum für die Trichter, die Regenwippe und die Elektronik zwischen der Bodenplatte und dem Auffangring. Um diese Elemente vor dem Wetter zu schützen, muss noch eine Wandung vorgesehen werden. Diese schließt an ihrer Oberseite mit dem Auffangring ab. Hierzu benötigt der Ring noch eine Anliegefläche und ebenfalls eine Möglichkeit der Abdichtung. Weiterhin sollte am Auffangring eine Aufnahmemöglichkeit für den nachgeschalteten Auffangtrichter vorgesehen werden. Diese wird im nachfolgenden Abschnitt behandelt. Bei kalten Temperaturen und Schneefall bzw. Hagel sollte keine Schneehaube auf dem Auffangring entstehen können. Falls die Heizleistung durch den Auffangtrichter nicht ausreichen sollte, muss hier ein weiteres Heizelement angebracht werden, um dieses Zuschneien des Auffangringes zu vermeiden. Somit wird eine Möglichkeit vorgesehen, den Auffangring optional noch extra zu heizen.
7
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept
3.3.2.
Auffangtrichter
Abbildung 3-8: Analyse Auffangtrichter
Für die Konstruktion des Auffangtrichters sind verschiedene Punkte bedeutend. Neben der Befestigung am Auffangring und der Materialwahl, ist eine Möglichkeit vorzusehen, mit der der Trichter über die Regenwippe zentriert werden kann. Zudem muss die Trichterspitze einen ausreichend kleinen Durchmesser haben, um den Niederschlag genau über der Wippe abtropfen zu lassen. Für kalte Tage muss der Trichter auf mindestens 4° C beheizt werden. Außerdem benötigt der Trichter eine geeignete Geometrie, damit Regentropfen nicht soweit abprallen, dass sie wieder aus dem Niederschlagsmesser herausgeschleudert werden.
8
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept
3.3.2.1. Verbindung zu Auffangring Die Verbindung zum Auffangring muss über eine Dichtung erfolgen, damit keine Regentropfen in das Gehäuse gelangen. Des Weiteren ist ein direkter Kontakt zwischen Auffangtrichter (voraussichtlich Titan-Zink) und Auffangring (Aluminium) zu vermeiden, da Kontaktkorrosion auftreten kann. Für einen guten Halt des Trichters wäre eine gleichzeitige Befestigung am Auffangring wünschenswert. Um die Anforderungen zu erfüllen wurden mehrere Nutkonzepte entwickelt und drei in die nähere Auswahl genommen:
Abbildung 3-9: Nutmöglichkeiten; NUTE STARK VERGRÖSSERT DARGESTELLT
In einer Matrix wurden die Nutmöglichkeiten gegenübergestellt: Tabelle 3-1: Bewertungsmatrix Nutmöglichkeiten Kriterien
Gewichtung
Fertigungsaufwand
Nut 1
Nut 2
Nut 3
Optimum
Pkt.
Gew.
Pkt.
Gew.
Pkt.
Gew.
Pkt.
Gew.
1
4
4
2
2
5
5
5
5
Dichtheit
0,8
4
3,2
5
4
1
0,8
5
4
Kosten (Dichtung)
0,5
4
2
3
1,5
2
1
5
2,5
Montageaufwand
1
5
5
3
5
2
2
5
5
14,5
10,5
8,8
16,5
Die Nutmöglichkeit 1 beinhaltet einen Kantenschutz, der als Dichtung fungiert und den Auffangtrichter im Auffangring hält.
9
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept
3.3.2.2. Materialwahl Verschiedene Materialien lassen sich für den Trichter verwenden. Bei der Materialwahl ist die Herstellung entscheidend. Nach Rücksprache mit einem Flaschner der Firma Rebstein wird der Trichter aus zwei Teilen (Zylinder und Trichter) gefertigt und zusammengelötet. Die Entscheidungsmatrix der Materialwahl ist im Folgenden dargestellt: Tabelle 3-2: Bewertungsmatrix Materialwahl
Kriterien
TitanZink
Alu
Gewichtung
Messing
Kupfer
Stahl
Optimum
Pkt. Gew. Pkt. Gew. Pkt. Gew. Pkt. Gew. Pkt. Gew. Pkt. Gew. Korrosionsbest.
1
5
5
5
5
2
2
2
2
4
4
5
5
Bearbeitbarkeit
0,7
4
2,8
4
2,8
5
3,5
5
3,5
2
1,4
5
3,5
Kosten
0,5
3
1,5
3
1,5
4
2
4
2
1
0,5
5
2,5
9,3
9,3
7,5
7,5
5,9
11
Titan-Zink bietet eine große Korrosionsbeständigkeit und ist für den beteiligten Flaschner gut bearbeitbar. Des Weiteren ist der Auffangtrichter ein sichtbares Teil und Titan-Zink hat gute optische Eigenschaften mit silberner Oberfläche. Auch die einfache Beschaffung durch die Firma Rebstein stellt ein Kriterium für die Wahl für Titan-Zink dar. 3.3.2.3. Justierung des Trichters Zur weiteren Befestigung und Justierung des Trichters stehen zwei Möglichkeiten in engerer Auswahl. Zum einen das Anlöten von Laschen an den Trichter, um diese dann an die äußeren Gewindestangen zu befestigen. Zum anderen ein Justierring auf dem der Trichter aufliegt und der auch an den Gewindestangen befestigt wird. Die Befestigung beider Möglichkeiten erfolgt über Muttern an den Gewindestangen.
Abbildung 3-10: Justiermöglichkeit des Trichters
10
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept Die Laschen stellen die einfachste Form der Befestigung dar. Sie sind leicht zu fertigen und durch Löten anzubringen. Die Gefahr des Justierringes besteht in der Beschädigung einer möglichen Heizwicklung auf der Außenseite des Trichters. Die Methode mit Laschen wird ausgewählt. 3.3.2.4. Trichterspitze Für die Trichterspitze gibt es die Möglichkeit, den Trichter ohne Aufsatz über der Wippe zu positionieren oder einen extra Aufsatz zu konstruieren. Die Regenwippe kann nur durch einen Durchmesser von wenigen Millimetern mit Regen beaufschlagt werden. Mit Rücksprache des Flaschners der Firma Rebstein ist die Fertigung eines geschlossenen Trichters bei dem die Spitze aufgebohrt wird die einfachste Fertigungsmöglichkeit. Es wird also auf Zusatzstücke verzichtet. 3.3.2.5. Heizung Um einen bestmöglichen Wärmefluss zu gewährleisten, soll ein Heizelement direkt an den Auffangtrichter angebracht werden. Andere Lösungen, wie z.B. eine Zentralheizung des Gehäuses würden bei gegebenen Temperaturen (-20°C) nicht ausreichend Wärme im Trichter erzeugen. Um die genaue Positionierung und Art der Heizung zu konzipieren sind Wärmeberechnungen nötig (vgl. 3.4.1). 3.3.2.6. Geometrie Eine Geometrie, so dass Regentropfen nicht herausspringen, ergibt sich schon in der Aufgabenstellung. Hierbei soll eine Zylinderform oberhalb des Trichters angebracht werden. Genaue Auslegungen erfolgen im Kapitel 4.2.2.
3.3.3.
Regenwippe
Abbildung 3-11: Analyse Regenwippe
Die Regenwippe ist zu befestigen, zu positionieren und muss vor Schmutz geschützt werden. 3.3.3.1. Befestigung Die Befestigung der Regenwippe erfolgt, wie in der Arbeit von Hauck und Pahl vorgesehen, durch Gewindestangen, die an der Bodenplatte befestigt werden. 3.3.3.2. Positionierung Die Regenwippe ist durch Positioniermöglichkeiten in eine horizontale Lage zu bringen. Diese Positionierung ist von Hauck und Pahl durch eine Schablone durchzuführen, die auf Muttern auf den Gewindestangen aufgelegt wird. Hierdurch können die unteren Muttern genau positioniert werden, die Wippe danach aufgesteckt und mit Gegenmuttern befestigt werden.
11
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept
Abbildung 3-12: Ausrichtung der Schablone; [3]
Abbildung 3-13: Befestigung der Wippe; [4]
3.3.3.3. Schutz vor Verschmutzung Um die Wippe vor Schmutz (Laub, kleine Äste, Vogelkot, etc.) zu schützen, der die Messergebnisse verfälschen und die Funktion beeinträchtigen kann, werden verschiedene Konzepte verglichen. Eine Schmutzspirale, ein Lochgitter und ein Schutzgitter.
Abbildung 3-14: Lösungsmöglichkeiten zum Schutz vor Verschmutzung
12
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept Zur Auswahl des geeigneten Schmutzfängers wird wiederum eine Matrix herangezogen: Tabelle 3-3: Bewertungsmatrix Schmutzfänger Kriterien
Gewichtung
Spirale
Lochscheibe
Gitter
Optimum
Pkt.
Gew.
Pkt.
Gew.
Pkt.
Gew.
Pkt.
Gew.
Funktionserfüllung
1
5
5
4
4
3
3
5
5
Wartungsaufwand
0,9
4
3,6
2
1,8
4
3,6
5
4,5
Herstellungsaufwand
0,6
2
1,2
4
2,4
3
1,8
5
3
9,8
8,2
8,4
12,5
Es wird eine Spirale als Schmutzfang eingesetzt. Der Nachteil der Lochscheibe ist, dass eine insgesamt sehr große ebene Fläche viel Niederschlag abhalten kann, in den Trichter zu gelangen. Dasselbe Problem besteht bei einem zu feinen Gitter. Ist das Gitter gröber gewählt bietet es nicht mehr die gefordert Schutzfunktion vor Verschmutzungen, wie kleinen Ästen oder Blättern.
3.3.4.
Ablauftrichter
Abbildung 3-15: Analyse Ablauftrichter
Der Ablauftrichter muss so beschaffen sein, dass er die Wippenbewegung nicht beeinflusst und den gesamten abgegebenen Niederschlag weitergibt. Nach geometrischen Untersuchungen an der Wippe zeigt sich, dass ein einfacher Trichter ohne zusätzlichen Zylinder ausreicht um die Funktion zu erfüllen.
13
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept Des Weiteren ist der Ablauftrichter zu beheizen, wobei diese Heizung auch den Raum um die Wippe auf ca. 4° C halten soll. Der Ablauftrichter benötigt einen Anschluss nach außen, der mittig durch die Bodenplatte führen soll. Auf Grund der Anforderungen besteht das System Ablauftrichter aus einem einfachen Trichter dem ein Zwischenstück angelötet werden soll, auf welches ein Ablaufschlauch aufgesteckt werden kann.
Abbildung 3-16: Ablauftrichtersystem
Als Material wird ebenfalls Titan-Zink ausgewählt.
3.3.5.
Halterung und Bodenplatte
Abbildung 3-17: Anaylse Halterung und Bodenplatte
14
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept Für die Kombination Halterung mit Bodenplatte gilt es zu überlegen, ob sie aus einem Teil oder zwei Teilen gefertigt werden sollen. Des Weiteren ist die Position der Halterung zu definieren und die Befestigungsart der Halterung am Stab. Nach Statiküberlegungen setzt sich das folgende Konzept durch:
Abbildung 3-18: Konzept der Halterung mit Bodenplatte
3.3.5.1. Halterung – Bodenplatte Die Befestigung erfolgt mittels vier Schrauben, wobei eine Statikberechnung nötig ist. Die Halterung soll wie folgt an der Bodenplatte befestigt werden:
Abbildung 3-19: Halterung – Bodenplatte; Verschraubung
15
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept Die vier Schrauben sollen wie folgt aufgeteilt werden:
Abbildung 3-20: Anordnung Schrauben
Damit ausreichend Platz für die Montage (Verschrauben und Raum für Stab) vorgesehen werden kann, werden Zylinderschrauben mit Innensechskant verwendet (M6; SW=5; Scheibendurchmesser=12). Die Zugkräfte auf die Schrauben ergeben sich durch das Momentengleichgewicht um den Punkt X. Angreifende Kräfte ist das Moment durch das eigengewicht und das Moment durch angreifende Windlasten.
Abbildung 3-21: Kraft auf Schrauben
∑M
x
=0
Gewichtskraft:
FL = m ⋅ g Die Kraft FL ergibt sich aus dem Eigengewicht des Niederschlagsmessers. Die Firma Lambrecht liefert ähnliche Niederschlagsmesser und gibt ein Gewicht von 4 kg an. Sicherheitshalber wird ein Gewicht von 5 kg als realistisch eingestuft. 16
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept m = 5 kg g = 9,81 m/s2 Zusätzlich wirkt ein Moment durch Windlasten
F W = q ref ⋅ c w ⋅ A P ; [5] qref = 390 N/m2; [1] cw = 0,68; [5] (l/d ≈ 2) Ap ≈ 0,115 m2 Das System wird für die Berechnung vereinfacht. Die Zugkraft auf die vier Schrauben wird auf eine reduziert, die den kürzesten Abstand zum Drehpunkt X aufweist. Die resultierende Zugkraft wird anschließend geviertelt um die Zugkraft auf alle Schrauben zu verteilen. Die Zugkräfte der Schrauben werden als gleich groß angenommen.
∑M
x
= 0:
Fz ⋅ l 3 = FW ⋅ s + FL ⋅ l 4 FZ =
1 ⋅ (q ref ⋅ c w ⋅ AP ⋅ s + m ⋅ g ⋅ l 4 ) l3
l3 = 30 mm s = 250 mm l4 = 35 mm FZ = 311,38 N Es folgt eine Zugkraft pro Schraube FS von
FS =
FZ 4
FS = 77,8 N Nach [5] ist die zulässige Spannkraft bei Schrauben der Größe M6 9400 N. Das Konzept der innen liegenden Zylinderschrauben in der Halterung hält den statischen Beanspruchungen leicht stand. Eine zusätzliche Berechnung wird aufgeführt um die maximalen angreifenden Lasten zu bestimmen. Hierbei wird eine maximale Kraft FV und eine maximale Kraft FH ermittelt.
Abbildung 3-22: Maximalkräfte für Schraubenberechnung
17
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept
∑M
x
= 0:
4 ⋅ FS ⋅ l 3 = FH ⋅ s FH = 4 ⋅ FS ⋅
l3 s
FS = 5000 N s = 400 mm
FH = 1500 N
∑M
x
= 0:
4 ⋅ FS ⋅ l3 = FV ⋅ c FV = 4 ⋅ FS ⋅
l3 c
c = 140 mm
FV = 4285,7 N Die Ergebnisse zeigen, dass die Schrauben einem Gewicht auf dem Niederschlagsmesser von über 400 kg aushalten würden. Es ist dennoch davon abzuraten, den Niederschlagsmesser mit derartigen Belastungen zu beanspruchen. Eine andere Möglichkeit der Befestigung des Halters an der Bodenplatte wäre das Eindrehen von M8 Edelstahl-Schrauben in das Aluminium der Halterung.
Abbildung 3-23: Halterung über Gewindekonzept
Schwer zu bestimmen ist hierbei die nötige Gewindetiefe, die bei Edelstahlschrauben M8 schwer aufzufinden ist. Es müsste von einer Mindesteinschraubtiefe von ca. 2xD (16 mm) ausgegangen werden. Des Weiteren wird das Aluminium über Gewinde sehr stark beansprucht. Im vorher beschriebenen Konzept wird über die Beilagscheiben eine gute Flächenpressung zwischen Halterung und Bodenplatte erzeugt. Edelstahlschrauben in Aluminiumgewinde führen zu Kaltverschweißungen und erneutes Lösen der Verbindung setzt die Verwendung von Kriechöl voraus. Im Konzept der innen liegenden Schrauben können diese über die Edelstahl-Muttern fest miteinander verschraubt werden. Die Vorteile der weiter außen liegenden M8 Schrauben sind also auf optische Sicherheit zu beschränken. 18
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept 3.3.5.2. Halterung – Stab Die Verbindung zwischen Halterung und Stab muss so beschaffen sein, dass man eventuelle Winkelabweichungen durch Justierschrauben beheben kann, die Halterung aber fest mit dem Stab verschraubt werden kann. Im Entwurf sind die genauen Schraubenpositionen und Schraubenanzahl zu definieren. Eine statische Berechung wird an dieser Stelle die Machbarkeit darlegen. Der Stab unterliegt einem Moment durch das Eigengewicht des Niederschlagsmessers und zusätzlich durch angreifende Windlasten.
Abbildung 3-24: Stabmoment
Das Moment errechnet sich ähnlich den Berechnungen aus 3.3.5.1:
M = FW ⋅ s + FL ⋅ e e = 60 mm M = 10,57 Nm = 10566,75 Nmm Die Spannung im Stab ist
σ= W =
M W
π ⋅ (D 4 − d 4 ) 32 ⋅ D
Außendurchmesser Stab; D = 50 mm Innendurchmesser Stab; d = 40 mm W=7245,3mm3 σ=1,46 N/mm2 Die Spannung durch das Eigengewicht fällt durch die Anordnung des Stabes unterhalb der Bodenplatte sehr gering aus. Eine Berechnung bezüglich des Winkelversatzes des Stabes ist bei der geringen Spannung nicht nötig.
19
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept
3.3.6.
Außenwand
Abbildung 3-25: Analyse Außenwand
Die Außenwand fungiert als optisch größter Teil des Gehäuses. Die Aufgaben bestehen darin, die Geräte im Inneren (Wippe, Regelungselektronik) vor äußeren Einflüssen (Witterung, Lebewesen) zu schützen und eine ansprechende Optik zu gewährleisten. Durch die runde Öffnung des Auffangringes bedingt durch die Norm bietet sich eine runde Gestaltung an. Die Wahl fällt auf ein Blechteil, was um Auffangring und Bodenplatte gelegt werden soll.
Abbildung 3-26: Außenwandkonzept
Die Außenwand sollte für Wartungsarbeiten und Installationen leicht zu öffnen sein und an Auffangring und Bodenplatte dicht halten um vor eindringendem Wasser zu schützen. Zudem müssen die Anschlusskanten so beschaffen sein, dass das Blech auch hier dicht hält. Der Verschluss der Platten kann auf zweierlei Arten erfolgen: Zum einen durch Schnellspanner und zum anderen durch die eigene Vorspannung des Bleches. Da ein Entfernen des Bleches mit Schnellspannern leichter durchzuführen ist, als das Auseinanderziehen des Bleches, wird die Option mit Schnellspannern gewählt. Diese können geöffnet werden, woraufhin das Blech sich durch die Eigenspannung so weit öffnet, dass es nach oben oder unten über Auffangring bzw. Bodenplatte entfernt werden kann.
20
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept
Abbildung 3-27: Konzept –Verschluss Außenwand
Zusätzlich bietet die Anwendung der Schnellspanner den Vorteil das Blech fester gegen Auffangring und Bodenplatte zu pressen, als die Eigenspannung des Bleches allein. Somit hält diese Anwendung dichter. Um die Dichtheit besser zu gewährleisten können an Auffangring und Bodenplatte zusätzlich O-Ringe eingesetzt werden oder ein Dichtstreifen. Für O-Ringe müsste eine genormte zusätzliche Nut angebracht werden. Des Weiteren kann sich am O-Ring Wasser ansammeln und zu Korrosion führen. Ein Dichtstreifen kann ohne weitere Bearbeitung oben und unten an die Anschlussteile geklebt werden und dichtet flächig ab. Es wird daher ein Dichtstreifen als Dichtung gewählt. Der Dichtstreifen von RS-online besitzt laut Hersteller eine hohe Beständigkeit gegen Witterungseinflüsse. Um die Dichtheit auch an den Anschlusskanten zu gewährleisten, ist deren Beschaffenheit zu definieren. Zur näheren Auswahl stehen folgende Varianten zur Verfügung:
Abbildung 3-28: Verschiedene Anschlusskanten Außenblech
Folgende Matrix wurde erstellt, um die Auswahl des geeigneten Bleches zu optimieren. Tabelle 3-4: Bewertungsmatrix Anschlusskanten Kriterien
Gewichtung
Herstellungsaufwand. Dichtheit Bedienbarkeit
Fasen
Überlappen
Stoß
Optimum
Pkt.
Gew.
Pkt.
Gew.
0,6
2
1,2
5
3
4
2,4
5
3
0,9
4
3,6
3
2,7
2
1,8
5
4,3
1
3
3
5
5
4
4
5
5
7,8
10,7
Pkt. Gew. Pkt. Gew.
8,2
21
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept Der große Nachteil der Fasen besteht darin, dass die Bearbeitung bei einem ca. 1 mm dicken Blech sehr schwierig ist. Die Überlappung wird durch den Dichtstreifen kompensiert. Die Anwendung auf Stoß gewährleistet keine ausreichende Dichtheit und erfordert sehr enge Fertigungstoleranzen. Das Material der Außenwand soll V2A Edelstahl sein. Dadurch wird eine gute Optik und Korrosionsbeständigkeit gewährleistet.
3.4.
Wärmeberechnung
Es ist vorgesehen drei Heizelemente im Niederschlagsmesser installieren zu können. Eines zum Beheizen des Auffangringes, eines für den Auffangtrichter und eines für den Ablauftrichter. Somit soll sichergestellt werden, dass Niederschlag in Form von Schnee oder Hagel nicht den Auffangtrichter verstopft und ebenfalls durch Schmelzen als Niederschlag gemessen wird. Außerdem darf der Niederschlag bei kalten Temperaturen nicht wieder im Niederschlagsmesser gefrieren und sicher aus dem Gehäuse geleitet werden. Daher wird ein Sicherheitspuffer eingeführt und der Niederschlag auf mindestens 4°C geheizt.
3.4.1.
Auffangtrichter
Bei dem kommerziellen Anbieter von Niederschlagsmessern Lambrecht ist die Heizleistung des Heizelementes für den Auffangtrichter auf 100W dimensioniert. Da sich unser Niederschlagsmesser vom Aufbau und den Ausmaßen nicht großartig von dem kommerziellen Produkt unterscheidet, wird dieser Wert als Anhaltspunkt genommen. Im Folgenden wird die Übertragbarkeit dieser Heizleistung auf unseren Niederschlagsmesser bestätigt: Zur Berechnung der benötigten Heizleistung am Auffangtrichter muss überlegt werden, in welchem Fall die größte Leistung benötigt wird und wie groß diese ist. Diese Überlegungen führen zu dem Fall das der Auffangtrichter komplett mit ca. -20°C kaltem Schnee gefüllt ist, dieser erhitzt, dann geschmolzen und anschließend noch auf den Sicherheitswert von 4°C erwärmt werden muss. Der benötigte Wärmestrom, um den -20°C kalten Schnee auf 0°C zu erwärmen ergibt sich zu:
Q& − 20°−>0° = m& ⋅ c Schnee ⋅ ΔT1 ⎡ kg ⎤ m& = Massenstrom (des Niederschlages) ⎢ ⎥ ⎣ s ⎦
(Gl. 1)
⎡ kJ ⎤ c Schnee = spezifische Wärmekapazität von Schnee ⎢ ⎥ ⎣ kg ⋅ K ⎦ ΔT1 = Temperaturdifferenz (0°C − (− 20°C )) Anschließend wird der noch feste Schnee geschmolzen. Hierfür wird folgender Wärmestrom benötigt:
Q& Schmelz = m& ⋅ q f ⎡ kg ⎤ m& = Massenstrom (des Niederschlages) ⎢ ⎥ ⎣ s ⎦ q f = Schmelzwärme
(Gl. 2)
22
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept Nun soll der geschmolzene Schnee noch auf etwa 4°C erwärmt werden, um nicht gleich wieder festzufrieren. Hierzu ergibt sich folgender Wärmestrom:
Q& 0°−> 4° = m& ⋅ cWasser ⋅ ΔT2 ⎡ kg ⎤ m& = Massenstrom (des Niederschlages) ⎢ ⎥ ⎣ s ⎦
(Gl. 3)
⎡ kJ ⎤ cWasser = spezifische Wärmekapazität von Wasser ⎢ ⎥ ⎣ kg ⋅ K ⎦ ΔT2 = Temperaturdifferenz (4°C − 0°C ) Aus Gleichung 1, 2 und 3 folgt die Gleichung für den benötigten Energiestrom um den Schnee zu erwärmen, zu schmelzen und anschließend nochmals auf die geforderten 4°C zu erwärmen:
Q& erf = Q& − 20°−>0° + Q& Schmelz + Q& 0°−> 4° = m& ⋅ (c Schnee ⋅ ΔT1 + q f + cWasser ⋅ ΔT2 ) Wenn hier der Richtwert von 100W eingefügt wird, kann die Zeit bestimmt werden, in welcher der Schnee in dem komplett gefüllten Auffangtrichter geschmolzen werden würde.
100W =
m ⋅ (c Schnee ⋅ ΔT1 + q f + cWasser ⋅ ΔT2 ) t
⇔ t=
m ⋅ (c Schnee ⋅ ΔT1 + q f + cWasser ⋅ ΔT2 ) 100W
Nun werden die erforderlichen Größen zusammen getragen:
Masse des Schnees im Auffangtrichter : kg m = V ⋅ ρ Schnee = V ⋅ 100 3 m Die Dichte von Schnee wird hier laut Quelle [1] auf 100 kg/m3 gesetzt. Dies liegt daran, dass bei -20°C von trockenem Neuschnee ausgegangen werden kann und aus Sicherheitsgründen der „schlechtere“ Wert von 100 kg/m3 gewählt wird, da so eine größere Masse resultiert die geschmolzen werden muss und somit die benötigte Leistung größer wäre. Das Volumen des Auffangtrichters setzt sich aus der zylindrischen Form und dem Trichter zusammen. Die Werte werden CATIA entnommen:84,938
V =
π ⋅d2
1 π ⋅d2 hTrichter 3 4 2 1 π ⋅ (170mm ) 72mm + 120mm = 2,54 ⋅ 10 −3 m 3 3 4
hZylinder +
4 π ⋅ (170mm )2 = 4
23
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept
kg = 0,254kg m3 Spezifische Wärmekapazität von Schnee : kJ cSchnee = 2,06 kg ⋅ K Spezifische Wärmekapazität von Wasser : kJ cWasser = 4,183 kg ⋅ K m = 2,54 ⋅ 10− 3 m3 ⋅ 100
Schmelzwärme von Wasser : kJ q f = 334 kg Diese Werte werden Quelle [1] entnommen.
⇒ t=
⎞ 0,254kg ⎛ kJ kJ kJ ⋅ ⎜⎜ 2,06 ⋅ 20 K + 334 + 4,183 ⋅ 4 K ⎟⎟ = 996 s = 16,6 min 100W ⎝ kg ⋅ K kg kg ⋅ K ⎠
Der hier angenommene Schnee hat in etwa ein Zehntel der Dichte von Wasser (1000kg/m3). Bei einem gegebenen maximalen Schneefall von 50mm (50l/m2/24h) (vgl. 3.1) entspräche dies 500l/m2/24h Schnee, da der Niederschlag immer als Wasser angegeben wird. Nun kann berechnet werden, wie lange es bei diesem Schneefall dauern würde, bis der Auffangtrichter voll geschneit ist.
500
l l m3 m3 = 10 = 0 , 01 = 0 , 00254 m 2 ⋅ 24h 200cm 2 ⋅ 24h 200cm 2 ⋅ 1440 min 200cm 2 ⋅ 365,8 min
Es würde also 365,8min dauern, bis der Auffangtrichter komplett mit Schnee gefüllt ist. Bei 100W Heizleistung würde der Inhalt also grob gesagt in einem Zwanzigstel der Zeit geschmolzen werden. Bei der Berechnung wurden der Wärmeleitwiderstand des Trichters, der des Heizelementes und der Befestigung des Heizelementes am Auffangtrichter nicht berücksichtigt, da diese vernachlässigbar klein sind und die hier berechnete Zeitdifferenz einen ausreichenden Puffer als Sicherheit bietet. Zudem wurde nicht berücksichtigt, dass nicht die gesamte Heizleistung in den Trichter geleitet wird sondern zum Teil auch in das Gehäuse abstrahlt. Diese Zeitverteilung wird also als akzeptabel angenommen. Somit werden für die nötige Heizleistung des Auffangtrichters 100W gewählt. Anhand dieses Wertes kann auch die Art des Heizelementes bestimmt werden. Eine Heizfolie kann keine derart hohe Wärmeleistung erzeugen. Im Idealfall erfolgt der Wärmeeintrag über eine große Fläche und nicht über eine hohe Temperatur und viel Wärmeleitung von einem kleinen Einleitungspunkt aus. Daher wird als Heizelement ein flächig aufgeklebter Kupferlackdraht gewählt, der auf die Trichterform aufgewickelt wird.
24
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept Die Wahl dieses Kupferlackdrahtes (Durchmesser, nötige Länge) erfolgt anhand eines erstellten Berechnungstools in Excel, wobei lieferbare Durchmesser von der Firma Conrad als Berechnungsbasis dienen.
Abbildung 3-29: Berechnungstool Kupferlackdraht für den Auffangtrichter
Bei der Berechnung wird von einer flächendeckenden Umwicklung der Trichterfläche ausgegangen. Dabei wird bei der Berechnung die wirkliche Kantenlänge um 20mm gekürzt, um Spiel zwischen den Windungen zu berücksichtigen. Außerdem kann der Draht nicht direkt über der Spitze des Trichters aufgewickelt werden, sondern nur mit etwas Abstand. Aufgrund der gegebenen Außendurchmesser der lieferbaren Drähte ergibt sich die wickelbare Länge. Mithilfe des nominellen Gleichstromwiderstandes aus den Datenblättern der Drähte kann der Leiterwiderstand berechnet werden und somit die Leistung. Wie aus obiger Abbildung ersichtlich wird, erreicht der Draht mit dem Drahtdurchmesser von 0,4mm eine Leistung von 104,81W bei der gegebenen Spannung von 36V und wird somit zum Beheizen des Auffangtrichters gewählt. Dies entspricht einem maximalen Strom von 2,91A (36V/12,36Ohm), der für den Betrieb dieser Heizung benötigt wird. Die Heizdrähte werden mit einer Pulsweitenmodulation geregelt. Diese Modulationsart funktioniert wie ein Schalter, der die Heizung ständig ein- und ausschaltet. Je länger die Einschaltzeit gegenüber der Ausschaltzeit ist, desto höher die mittlere Heizleistung.
3.4.2.
Ablauftrichter
Der Transformator erzeugt etwa 400W. Jedoch werden von ihm auch noch andere Elektronikgeräte im Bereich der Wetterstation an der BA-Friedrichshafen gespeist. Somit wurde die Leistung, die für den Niederschlagsmesser zur Verfügung steht, auf etwa 200W begrenzt. Daher bleiben für den Ablauftrichter und den Auffangring noch etwa 100W übrig. Am Ablauftrichter soll ebenfalls ein Kupferlackdraht verwendet werden, aus den Gründen, die schon im vorangegangenen Abschnitt erwähnt worden sind. Dieser soll ebenfalls flächig auf die Trichterform aufgeklebt werden. Hierzu ergeben sich mit dem Berechnungstool in Excel folgende mögliche Leistungen bei den gegebenen Kupferlackdrähten der Firma Conrad:
25
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept
Abbildung 3-30: Berechnungstool Kupferlackdraht für den Ablauftrichter
Aus dieser Berechnung wird deutlich, dass der Draht mit dem Drahtdurchmesser von 0,3mm den am besten geeigneten Wert von hier 77,44W trifft. Der nächst dünnerer Draht wäre zu unter- und der nächst dickere zu überdimensioniert. Auch hier wurde bei der Berechnung von der wirklichen Kantenlänge 20mm abgezogen, um Spiel und Abstand zu den Kanten des Trichters bei den Windungen zu berücksichtigen. Bei 77,44W wird hier bei der gegebenen Spannung von 36V ein Strom von 2,15A benötigt (36V/16,74Ohm). Über die Schaltung in der die Kupferlackdrähte hängen muss die Leistung für dieses Heizelement im Betrieb auf den erforderlichen Wert geregelt werden.
3.4.3.
Auffangring
Wie schon im vorangegangenen Abschnitt erwähnt, bleiben für den Ablauftrichter und den Auffangring noch jeweils ca. 50W Leistung übrig. Die Heizung für den Auffangring ist optional anzusehen. Es wurde ein extra Absatz vorgesehen, an dessen Innenwand ein Kupferlackdraht aufgewickelt werden kann, falls das Beheizen des Auffangringes im Betrieb ebenfalls als nötig erscheint.
Abbildung 3-31: Anbringungsort der Auffangringheizung (rote Fläche)
Auch bei dem kommerziellen Produkt von Lambrecht gibt es Versionen mit beheiztem und mit unbeheiztem Auffangring. Über die vorgesehene zylindrische Fläche für den Draht ergeben sich wieder verschiedene Wicklungslängen bei den verschiedenen gegebenen Außendurchmessern der von der Firma Conrad lieferbaren Drähte. Daraus resultieren wieder verschiedene Leiterwiderstände und Leistungen, die in folgender Abbildung zusammengefasst sind:
26
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept
Abbildung 3-32: Berechnungstool Kupferlackdraht für den Auffangring
Laut dieser Berechnung kommt der Draht mit dem Drahtdurchmesser von 0,2mm in Frage. Dies ergibt eine Leistung von 64,15W, die wiederum über die umgebende Schaltung auf den im Betrieb erforderlichen Wert geregelt werden muss. Bei 36V würde hier ein Strom von 1,78A benötigt werden (36V/20,2Ohm). Wenn nun alle beim Auffangtrichter, Ablauftrichter und Auffangring benötigten Ströme aufaddiert werden, erhalten wir einen Gesamt-Strombedarf bei 36V Spannung von 6,8A. Es bleibt somit noch genug Strom und folglich Leistung für die übrigen Gerätschaften im Umfeld des Niederschlagsmesser übrig.
3.5.
Implementierung der Heizelemente
Wie das vorangegangene Kapitel ergeben hat, werden als Heizelemente verschiedene Kupferlackdrähte verwendet, die mit einem Wärmeleitkleber flächig auf die zu heizenden Bauteile aufgeklebt werden. Als Kleber wird der Wärmeleitfähige Epoxydharz HYSOL 9496 AB, lieferbar von der Firma Conrad, gewählt. Dieser hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 1,7W/mK und härtet bei Raumtemperatur aus. Es ist vorgesehen, zwei NTC-Temperatursensoren im Niederschlagsmesser unterzubringen, um die verschiedenen Heizdrähte zu regeln. Für die Auffangtrichterheizung wird der Temperatursensor von außen auf die Wicklung geklebt. Der Sensor misst so indirekt die Innenwandtemperatur des Auffangtrichters. Für die Regelung ist somit noch der Temperaturabfall von der Oberfläche des Sensors bis zur Innenfläche des Trichters interessant. Während des Heizens hängt die Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche des Sensors und der Oberfläche der Trichterinnenfläche nur von dem 0,7mm dünnen Titan-Zink-Blech ab. Im Folgenden werden die Temperaturdifferenzen für diese zwei Fälle berechnet: Für die Berechnung wird vereinfacht die Formel für n-schichtige zylindrische Wände verwendet und der mittlere Außendurchmesser des Trichters (85,58mm) eingesetzt.
(t − t ) ⋅ 2 ⋅ π ⋅ l Q& L = w1 wn +1 n ⎛1 d ⎞ ⎜⎜ ⋅ ln i +1 ⎟⎟ ∑ di ⎠ i =1 ⎝ λi
27
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept
d1 = 85,58mm − 2 ⋅ 0,7mm(Wanddicke Ti tan − Zink ) = 84,18mm
λ1 = λTi tan − Zink = 100
W m⋅K
d 2 = 85,58mm W m⋅K d 3 = 85,58 + 2 ⋅ 0,5mm(Kleberschichtdicke) = 86,58mm
λ 2 = λWärmeleitkleber = 1,7
W m⋅K d 4 = 86,58 + 2 ⋅ 0,43mm(Kupferlackdraht Außendurchmesser ) = 87,44mm
λ3 = λ Kupferlackdraht = 348,7
Die Wärmeleitfähigkeit von Titan-Zink wird auf etwa 100Wm-1K-1 gesetzt. Zink hat 116WmK-1 und Titan 21,9Wm-1K-1. Da Titan-Zink hauptsächlich aus Zink besteht, wird der Wert von 100Wm-1K-1 gewählt. Der Lack Polyurethan des Kupferlackdrahtes hat etwa eine Wärmeleitfähigkeit von 0,03Wm-1K-1 (vgl. [1]). Die von Kupfer beträgt 401Wm-1K-1. Da sich die Schichtdicken im Verhältnis 20:3 (Kupfer zu Lack) verhalten, wird eine Gesamt-Wärmeleitfähigkeit von 1
⎛ 20 ⋅ 401 + 3 ⋅ 0,03 ⎞ ⎟. 23 ⎝ ⎠
348,7Wm-1K-1 gewählt ⎜
n ⎛1 d ⎞ Q& L ⋅ ∑ ⎜⎜ ⋅ ln i +1 ⎟⎟ di ⎠ i =1 ⎝ λi (t w1 − t wn+1 ) = 2 ⋅π ⋅ l ⎛1 d d d ⎞ 1 1 ⋅ ln 3 + ⋅ ln 4 ⎟⎟ Q& L ⋅ ⎜⎜ ⋅ ln 2 + d1 λ 2 d 2 λ3 d3 ⎠ ⎝ λ1 (t w1 − t w4 ) = 2 ⋅π ⋅ l 85,58 1 86,58 1 87,44 ⎞ ⎛ 1 − 104,81 ⋅ ⎜ ⋅ ln + ⋅ ln + ⋅ ln ⎟ 100 84,18 1,7 85,58 348,7 86,58 ⎠ ⎝ = = −1,13K 2 ⋅ π ⋅ 0,10321
Die Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche des NTC-Sensors und Innenfläche des Trichters beträgt also etwa 1°C. Nach gleichem Schema wird die Temperaturdifferenz berechnet, bei eingeschalteter Heizung. Diese Differenz zwischen Oberfläche NTC-Sensor und Innenfläche des Trichters, die nur noch von der Dicke des Titan-Zink Bleches abhängt, beträgt 0,03°C. Der zweite Sensor sollte nach dem gleichen Prinzip auf die Wicklung des Ablauftrichters geklebt werden. Wenn eine Temperaturabsenkung in dem Gehäuses stattfindet, dann aufgrund des noch kalten Niederschlages, der in den Ablauftrichter läuft. Auch hier werden die Temperaturdifferenzen zwischen Sensoroberfläche und Trichterinnenseite vernachlässigbar gering sein. Als Anhaltspunkt sollten die Werte aus obiger Rechnung auch hier dienen können.
28
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Konzept Für die Elektronik ist im Niederschlagsmesser folgender Raum vorgesehen, der sich aus den Kanten und Begrenzungen der anderen Bauteile ergibt:
Abbildung 3-33: Einbauvolumen für die Elektronik
Da zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht genau gesagt werden kann, wie die Elektronik für die Regelung und Schaltung und die entsprechenden Kabel genau aussehen werden, wird auch noch keine Bohrung in der Bodenplatte für die Stromversorgung vorgesehen. Diese kann nachträglich an entsprechender Stelle mit erforderlichem Durchmesser eingebracht werden.
29
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Entwurf
4.
Entwurf 4.1.
Auffangring
Der Auffangring wird so konstruiert, wie im Konzept bereits beschrieben. Zusätzlich wurde darauf geachtet, dass in dem Bereich, wo die Gewindestangen eingeschraubt werden, genügend Auflagefläche für die Beilagscheiben bleibt (20mm). Die Nut für den Auffangtrichter plus Kantenschutz als Dichtung und Isolierung der beiden verschiedenen Werkstoffe wird anhand des hierzu ausgewählten Kaufteiles entworfen.
Abbildung 4-1: Kantenschutz
Für die optionale Auffangtrichterheizung in Form eines aufgewickelten Kupferlackdrahtes, wird noch ein extra Absatz vorgesehen, an dem die erste Windung angelegt werden kann. Für die Auflage des Außenbleches und das Abdichten nach außen wird ein selbstklebender Dichtstreifen gewählt.
Abbildung 4-2: Dichtstreifen
Dieser ist 12mm hoch und 3mm dick. Da das Außenblech ca. 1mm dick ist, wird die Tiefe des Absatzes, wo das Außenblech am Auffangring anliegt, auf insgesamt 5mm gesetzt und die Höhe auf die entsprechenden 12mm. Gefertigt wird der Auffangring aus Aluminium, da dieses ein geringes Gewicht hat und vor allem leicht zerspanbar ist und somit an den Maschinen im CIM-Labor der Berufsakademie gefertigt werden kann.
30
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Entwurf
Abbildung 4-3: CATIA-Konstruktion Auffangring
Abbildung 4-4: CATIA-Skizze Auffangring
4.2. 4.2.1.
Auffangtrichter Material und Oberfläche
Die gute Korrosionsbeständigkeit von Titan-Zink rührt daher, da es an der Atmosphäre eine Oxidschicht bildet, die es vor weiterer Korrosion schützt. Dadurch ergibt sich jedoch eine ungewollt gute Benetzung von Wasser. Tests belegen die Bildung dieser Oxidschicht. Bei einem Test (Abbildung 4-5) wurden salzwasserhaltige Tücher auf einem Titan-Zink-Blech gelagert. Die Oxidschicht ist deutlich zu erkennen.
Abbildung 4-5: Korrosion durch Salzwasser an Titan-Zink
31
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Entwurf Benetzungstests zeigten einen guten Perleffekt auf reiner Titan-Zink Oberfläche und keinen Perleffekt auf der Oxidschicht.
Abbildung 4-6: Perleffekt auf reinem Titan-Zink
Eine Beschichtung des Auffangtrichters ist nötig. Als Beschichtungsmaterial wird Plastik70 verwendet, da dieser Lack schon in der Arbeit von Hauck und Pahl bewertet und verwendet wurde [4]. Falls die Oberflächenbehandlung durch äußere Einflüsse wie Hagelschlag beeinträchtigt wird, ist immer noch eine gute Oberfläche zu erwarten, da Titan-Zink erst unter extremen Bedingungen wie dauerhaften Salzwassereinfluss erheblich korrodiert.
4.2.2.
Geometrieauslegung
Die Geometrieauslegung bezieht sich auf den Auffangtrichter. Der Auffangtrichter benötigt eine ausreichende Zylinderform oberhalb der Schräge, so dass Regentropfen durch den Aufprall nicht aus dem Niederschlagsmesser zurückprallen. Die benötigte Höhe des Zylinders soll für verschiedene Trichterwinkel analysiert werden. Für die Auslegung wird angenommen, dass die Regentropfen durch Wind jeden beliebigen Winkel α einnehmen können. Als kritisch sind die Tropfen einzustufen die mit einem Winkel ≥90° auf die Trichterschräge auftreffen. Der Zylinder benötigt daher eine Höhe, dass die Tropfen mit Winkel 90° der Trichterschräge gerade nicht mehr den Trichter erreichen können. Die Tropfen mit Winkel >90° würden schon bei geringeren Höhen die Trichterschräge nicht mehr treffen.
Abbildung 4-7: Effekt der Zylinderhöhe auf kritische Auftreffwinkel
32
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Entwurf Der Abstand zwischen Spitze-Auffangring und Beginn Zylinder beträgt durch eine innen liegende Nut im Auffangring 28 mm. Es ergeben sich beispielhaft folgende Zylinderhöhen, abhängig vom Trichterwinkel: Trichterwinkel = 45°ÆZylinderhöhe h = 136,6 mmÆGesamthöhe Trichter H = 221,4 mm Trichterwinkel = 60°ÆZylinderhöhe h = 67,03 mmÆGesamthöhe Trichter H = 213,91 mm
Abbildung 4-8: Trichterhöhe in Abhängigkeit vom Trichterwinkel
Da bei höherem Trichterwinkel der Trichter höher, aber der Zylinder niedriger wird, kann analytisch ein optimaler Trichterwinkel eingestellt werden: Die Abbildung 4-8 zeigt das Berechnungsprinzip vereinfacht. Bei der Analyse wird ein Abstand zwischen Innenkante Auffangring und Trichter berücksichtigt. Zylinderhöhe, Trichterhöhe, Gesamthöhe 350,00
300,00
250,00
200,00
Gesamthöhe
150,00
Zylinderhöhe Trichterhöhe
100,00
50,00
0,00 35,00 40,00 45,00 50,00 55,00 60,00 65,00 70,00 75,00
Abbildung 4-9: Gesamthöhe bei verschiedenen Trichterwinkeln
33
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Entwurf Das Optimum liegt bei einem Trichterwinkel von etwa 55°. Dadurch ist auch ein ausreichender Winkel für guten Abfluss des Regenwassers gegeben. Der Trichterwinkel wird auf 55° festgesetzt.
4.2.3.
Befestigung
Die Befestigung des Auffangtrichters soll, wie in der Konzeptphase beschlossen, über Laschen erfolgen, die an der Außenwand des Trichters angelötet werden. Durch den geringen Abstand zwischen Gewindestangen und Auffangtrichter und dem Einsatz von Unterlegscheiben wird ersichtlich, dass die Auslegung der Laschen auf Schub sinnvoll ist:
Abbildung 4-10: Schubbeanspruchung Laschen
Die Schubbeanspruchung ergibt sich aus:
τ
S
xy
y
=
=
FQ ⋅ S I h 2
y
∫b
y
⋅ b (z )
⋅ z ⋅ dz
0
Abbildung 4-11: Lasche Querschnitt
h = 0,7 mm b = 18 mm
34
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Entwurf Eine zulässige Maximalkraft, die den Trichter nach unten drücken kann lässt sich durch Umformen der Gleichung lösen zu:
FQ = Iy =
τ xy ⋅ I y ⋅ b Sy b ⋅ h3 12
Bei einer zulässigen Schubspannung τxy von 100 N/mm2 (Titanzink ≈ Lötstelle) und durch die Anwendung von vier Laschen rings um den Auffangtrichter ergibt sich:
4 ⋅ FQ = 840 N Die zulässige Maximalkraft, die auf den Auffangtrichter wirken kann, entspricht den Randbedingungen. Nach den Überlegungen wird die Auffangtrichter-Zusammenstellung aus Zylinder, Trichter und Laschen wie folg konstruiert:
Abbildung 4-12: CATIA-Konstruktion Auffangtrichter
4.3.
Gewindestangen
Die Gewindestangen sollen zum einen dazu dienen, den Auffangring mit der Bodenplatte zu verbinden und gleichzeitig durch eine entsprechende Länge der Stangen den nötigen Bauraum für die Trichter und die Regenwippe schaffen. Weiterhin sind vier Gewindestangen vorgesehen für die Befestigung und Positionierung der Regenwippe direkt unter dem Auffangtrichter und über dem Ablauftrichter.
4.3.1.
Gewindestangen für den Bauraum
Die Länge dieser Gewindestangen ergibt sich aus der Höhe der Bodenplatte, der Tiefe des Gewindes in dem Auffangring und dem nötigen Bauraum zwischen Bodenplatte und Auffangring plus Platz für Muttern und Beilagscheiben auf der Bodenplattenunterseite. Der Durchmesser dieser Stangen sollte nicht zu klein sein, um einer zu großen Belastung auf Scherung, bei Windlasten oder ungewollten Seitenkräften auf den Auffangring, standzuhalten. Es wird ein Durchmesser von 10mm gewählt (M10). Dass dieser Durchmesser hier ausreicht, wird mit folgender Berechnung bestätigt:
35
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Entwurf Das System, bestehend aus den in der Bodenplatte fest eingespannten Gewindestangen und dem Auffangring kann für die Berechnung mit einem FEM-Programm auf folgendes Modell vereinfacht werden: Ø 200 F
328
Zu beachten ist hierbei, dass die wirkliche Kraft F für diese Berechnung halbiert wird, da bei dieser Betrachtung nur zwei Gewindestangen wirken, in Wirklichkeit jedoch vier verbaut werden sollen. Außerdem wird das Flächenträgheitsmoment für den Auffangring auf einen sehr hohen Wert gesetzt, um für ihn eine hohe Steifigkeit zu erhalten und somit lediglich die Belastung auf die Gewindestangen darzustellen. Als Berechnungsprogramm wird die Anwendung „Ebenes Rahmensystem“ von F. Pfleghar verwendet. Um nun noch die mögliche Horizontalkraft auf den Auffangring zu erhalten, wird folgender Fall untersucht: Was würde passieren, wenn sich ein Normmensch von 1,80m Größe und in diesem Fall 100kg Gewicht gegen den in einem Meter Höhe montierten Auffangring lehnen würde? Der Anlehnwinkel wird hierbei mit 70° angenommen.
B a L b FG
y 70° A
x
36
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Entwurf
∑M
A
= 0 : FG ⋅ a − FBx ⋅ b = 0
⇔ FBx = FG
a b
b = 1000mm L = 1800mm a = cos(70°) ⋅ 900mm = 308mm
⇒ FBx = 1000 N
308mm = 308 N 1000mm
Für die FEM-Berechnung wird 154N gewählt, um die eigentlich doppelte Anzahl an Gewindestangen im Vergleich zum vereinfachten Modell zu berücksichtigen.
Abbildung 4-13: Bildschirmausdruck FEM-Programm „Ebenes Rahmensystem“
Wenn der Auffangring horizontal mit insgesamt 308N (ca. 31kg) belastet werden würde, erfahren die Gewindestangen laut der FEM-Berechnung unterhalb des Auffangringes jeweils eine Auslenkung von knapp 3mm. Die angegebene Belastung entspräche einem 100kg schweren Menschen, der sich in einem Winkel von 70° gegen den Auffangring lehnt, der in etwa einem Meter Höhe angebracht ist. Da diese Auslenkung vertretbar ist und unter normalen Bedingungen keine höhere Horizontalbelastung auf den Auffangring zu erwarten ist, wird der Gewindedurchmesser von 10 (M10) gewählt. In Wirklichkeit wird die Auslenkung sogar etwas geringer sein, da ein Teil der Kraft in den Stab abgeleitet wird. Eine Berechnung auf Knickung und Werkstoffversagen aufgrund der Biegung ist wegen den gering anzunehmenden Kräften nicht erforderlich. Da die Gewindestange oben in den Auffangring geschraubt wird und unten über eine Durchgangsbohrung mit der Bodenplatte in Kontakt kommt, wird als Material Edelstahl gewählt, um Kontaktkorrosion zwischen der Gewindestange und den Aluminiumteilen zu
37
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Entwurf vermeiden. Die entsprechenden Beilagscheiben und Muttern, die mit dem Aluminium an den Verbindungsstellen in Kontakt treten, müssen ebenfalls aus Edelstahl sein.
Abbildung 4-14: CATIA-Konstruktion Gewindestangen M10
4.3.2.
Gewindestangen für die Regenwippe
Die Länge dieser Stangen ergibt sich aus der Höhe des Ablauftrichters, plus Platz für die Muttern und Beilagscheiben. Der Durchmesser ist durch das bereits vorhandene Gestell der Regenwippe als Randbedingung auf 6mm (M6) zu setzen. Da diese Gewindestangen keine große Last aufnehmen müssen, ist dieser Durchmesser auch für die Konstruktion des Niederschlagsmessers akzeptabel und wird gewählt. Auch hier ist es erforderlich, als Material Edelstahl zu wählen, da die Gewindestangen in die Bodenplatte aus Aluminium geschraubt werden. Die Konstruktion der Gewindestangen mit Normteilen wird im CAD-Programm konstruiert.
Abbildung 4-15: CATIA-Konstruktion Gewindestangen M6
38
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Entwurf
4.4.
Außenwand
In der Entwurfsphase werden einige Eigenschaften der Außenwand definiert, die für den Einsatz gefordert werden. Die genauen Maße werden dem CATIA-Modell entnommen. Hierbei wird die Höhe der Außenwand so festgelegt, dass Spiel vorhanden ist um mögliche fertigungsbedingten Toleranzen zu kompensieren. Die Höhe wird so festgesetzt, dass in der Lage des CATIA-Modells oben und unten jeweils 2,5 mm Platz ist um eine Stauchung des Niederschlagsmessers zu kompensieren. Eine Streckung von insgesamt 10 mm ist ebenfalls möglich.
Abbildung 4-16: Entwicklung Höhe Außenwand
s: Resthöhe für Streckung = 5 mm f: Resthöhe für Stauchung = 2,5 mm h: Gesamthöhe der Außenwand = 350 mm Das Außenblech aus Edelstahl wird von der Altmetallhandlung BAUSCH in Ravensburg organisiert. Zugeschnitten und gerundet wird es durch die freundliche Unterstützung durch die Firma Rebstein in Fischbach. Die Befestigung der Schnellspanner erfolgt durch Niete. Bei der Beschaffung der Schnellspanner wurde darauf geachtet, dass die Bohrungen übereinander liegen, da sie sonst bei der Befestigung an der Außenwand den Radius des Bleches beeinträchtigen könnten.
Abbildung 4-17: Schnellspanner für Außenwand
39
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Entwurf Die in diesem Zusammenhang optisch eher unspektakuläre CATIA-Konstruktion ist in Abbildung 4-18 zu sehen.
Abbildung 4-18: CATIA-Konstruktion Außenwand
4.5.
Wippenbefestigung
Das Gestell der Regenwippe ist über M6-Gewindestangen zu befestigen, wie im Konzept (3.3.3) dargestellt. Für die Entwurfsphase ist es wichtig, dass der Auffangtrichter und die Regenwippe so positioniert werden können, dass ein möglichst kleiner Abstand zwischen ihnen liegt. Dadurch wird gewährleistet, dass die Tropfen, die auf die Regenwippe fallen, keine kinetische Energie aufnehmen, die das Ergebnis der Messungen verfälschen können. Zusätzlich muss der Abstand zwischen Auffangtrichter und Wippe so groß sein, dass die Wippe entfernt werden kann, um Wartungsarbeiten durchführen zu können. Durch die Gewindestangen, auf die das Wippengestell befestigt wird, wird diese Anforderung erfüllt. Die Wippe kann weiter oben oder weiter unten positioniert werden. Im CAD-Programm ergibt sich folgende Konstruktion:
Abbildung 4-19: CATIA-Konstruktion Wippenbefestigung
40
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Entwurf
4.6.
Ablauftrichter
Der Ablauftrichter wird wie im Konzept dargestellt konstruiert. Um einen direkten Kontakt des Titan-Zinks mit dem Aluminium zu vermeiden (Kontaktkorrosion) wird ein Kantenschutz angelegt. Die Befestigung des Trichters erfolgt ebenfalls mit Laschen an den Gewindestangen für die Regenwippe. Der Trichter kann so direkt an das Wippengestell angelegt werden. Der Ablauf soll so beschaffen sein, dass er einen ausreichenden Durchmesser besitzt und kein Wasser anfrieren kann. Um die Anforderungen zu erfüllen, wird ein Anschlussteil auf den Trichter angelötet, auf den ein Schlauch gesteckt werden kann. Im CAD:
Abbildung 4-20: CATIA-Konstruktion Ablauftrichter
4.7.
Halterung
Wie in der Konzeptphase vorbereitet erfolgt hier die Definition der Schraubenpositionen und –anzahl für die Befestigung der Halterung an dem Stab. Der Niederschlagsmesser kann um die x-Achse und die y-Achse gedreht werden, um mögliche Winkelversätze auszugleichen. Hierfür sind vier Justierschrauben im unteren Bereich der Halterung vorgesehen. Nach Justage des Niederschlagsmessers wird die Halterung mit drei Befestigungsschrauben im oberen Bereich festgedreht. Nicht anliegende Justierungsschrauben werden letztlich angezogen. Abbildung 4-21 zeigt die Anordnung der Schrauben.
Abbildung 4-21: Befestigung Halterung-Stab
41
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Entwurf Im CAD-Programm ergibt sich die folgende Halterung im Zusammenhang mit Stab und Bodenplatte:
Abbildung 4-22: CATIA-Konstruktion Halterung
4.8.
Bodenplatte
Wie aus dem Konzept hervorgeht, muss die Bodenplatte folgende Bauteile aufnehmen: Zum einen die Halterung, die an den Stab geschraubt wird, dann die Gewindestangen für das Regenwippengestell, die Gewindestangen für den Auffangring und den Ablaufschlauch des Ablauftrichters. Zudem wird auch hier ein Absatz vorgesehen, an dem das Außenblech anliegt. Für die Abdichtung und Isolierung der verschiedenen Werkstoffe wird der gleiche Dichtstreifen verwendet, wie beim Auffangring (vgl. 4.1). Da das Regenwippengestell für die Aufnahme der Gewindestangen bereits Durchgangsbohrungen enthält, werden in die Bodenplatte Gewinde eingelassen. Andersherum für die Gewindestangen, die per Gewinde im Auffangring eingeschraubt sind. Hierfür werden Durchgangsbohrungen in feiner Ausführung vorgesehen (10,5mm). Die Durchgangsbohrungen für die Aufnahme der Schrauben, welche die Halterung an der Bodenplatte befestigen, werden grob ausgeführt (7mm), da hier kein Spiel aufgrund der flexiblen Gewindestangen gegeben ist und somit auf diese Weise ein einfaches Verschrauben, ohne Verkanten, erreicht wird. Die Durchgangsbohrung für den Ablaufschlauch wird etwas enger ausgeführt, als der Außendurchmesser des Schlauches, um hier noch eine Abdichtung zwischen der Umgebung und dem Innenraum zu schaffen. Für die Elektronik im Innenraum muss später noch eine Durchgangsbohrung in die Bodenplatte eingebracht werden, um das Stromkabel nach außen verlegen zu können. Da, wie schon in Kapitel 3.5 erwähnt, zum Zeitpunkt noch nicht feststeht, wie die Elektronik aussieht und wo sie genau installiert wird, kann diese Bohrung erst nachträglich an entsprechender Stelle und mit entsprechendem Durchmesser eingelassen werden.
Abbildung 4-23: CATIA-Konstruktion Bodenplatte
42
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Detaillierung
5.
Detaillierung
Die Phase der Detaillierung befasst sich mit der Erstellung der Fertigungszeichnungen. Besonderes Augenmerk muss dabei auf die Zeichnungen gelegt werden, die extern verwendet werden müssen. Folgende Zeichnungen werden erstellt und sind im Anhang zu finden: • Auffangtrichter mit Abwicklungen und Laschen • Ablauftrichter mit Abwicklung, Laschen und Ablaufröhrchen • Auffangring • Außenwand • Bodenplatte • Halterung • Hilfszeichnung zur Anbringung der Laschen an Auffangtrichter und Ablauftrichter
43
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Fertigung
6.
Fertigung 6.1. 6.1.1.
Bauteilfertigung Externe Fertigung
Als externe Fertigung wird die Arbeit der Firma Rebstein bezeichnet, die mit großem Engagement das Projekt mitunterstützt. Hier werden die Außenwände gerundet, sowie die Trichter hergestellt und zusammengelötet. Folgende Abbildungen, sollen einen Eindruck der Fertigung dieser Bauteile vermitteln:
Abbildung 6-1: Maschine zum Runden der Außenbleche und des Zylinderteils
Abbildung 6-2: Fertigung der Ablauftrichter
Abbildung 6-3: Fertige Außenwände
44
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Fertigung
Abbildung 6-1: Fertiger Auffangtrichter (li) und Ablauftrichter (re)
6.1.2.
Interne Fertigung
Die interne Fertigung befasst sich mit folgenden Bauteilen. Bildmaterial soll einen Einblick in die Fertigung geben. 6.1.2.1. Auffangring, Halterung, Bodenplatte Die Bauteile Auffangring, Halterung und Bodenplatte werden durch die freundliche Unterstützung von Herrn Pausch hergestellt. Bildmaterial ist zum Zeitpunkt der Abgabe dieser Arbeit noch nicht vorhanden 6.1.2.2.
Herstellung der Laschen für Ablauftrichter und Auffangtrichter Die Laschen für Auffangring und Ablauftrichter werden von den Verfassern hergestellt. Das Material wurde netterweise von der Firma Rebstein zur Verfügung gestellt.
Abbildung 6-2: Herstellung der Laschen 1
45
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Fertigung
Abbildung 6-3: Herstellung der Laschen 2
Abbildung 6-4: Herstellung der Laschen 3
6.1.2.3. Anlöten der Laschen Ablauftrichter Zum Anlöten der Laschen wird eine Positionierungsskizze verwendet, da die Laschen später exakt auf die Gewindestangen passen müssen. Zudem birgt das Löten von Titanzink ein erhöhtes Risiko, da dieses Material schon bei Temperaturen um 400 °C seinen Schmelzpunkt erreicht hat. Es wurden daher Lötproben durchgeführt, um die Methodik zu optimieren.
Abbildung 6-5: Teil der Lötproben zur Verfahrensoptimierung
46
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Fertigung
Abbildung 6-6: Anzeichnen der Laschenposition
Abbildung 6-7: Anlöten der Laschen
Abbildung 6-8: Ergebnis des Lötens
47
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Fertigung 6.1.2.4. Nachbearbeitung und Lackierung Ablauftrichter Zur fertigen Bearbeitung werden die Trichter noch geschmirgelt, mit Aceton gereinigt und anschließend mit dem gewählten Sprühlack Plastik 70 lackiert.
Abbildung 6-9: Lackieren des Ablauftrichters
6.1.2.5. Anlöten der Laschen Auffangtrichter Die Laschen für den Auffangtrichter werden so angelötet wie die Laschen des Ablauftrichters, wobei lediglich ein erhöhter Aufwand für die Positionierung durchgeführt werden muss. Dieser ergibt sich dadurch, dass die Laschen nicht oben am Zylinder befestigt werden, sondern zwischen Oberkante und Trichter.
Abbildung 6-10: Anlöten einer Lasche am Auffangtrichter
6.1.2.6.
Nachbearbeitung und Lackieren Auffangtrichter
Abbildung 6-11: Lackieren des Auffangtrichters
48
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Fertigung
Abbildung 6-12: Fertig lackierte Trichter beim Trocknen
6.2.
Montageanleitung
Die Montage des Niederschlagsmessers ist folgendermaßen durchzuführen: 1. Die Halterung an die Bodenplatte schrauben
Abbildung 6-13: Befestigung Halterung-Bodenplatte
2. Die Halterung mit Bodenplatte auf den Stab positionieren und mit den Justierschrauben waagrecht ausrichten.
Abbildung 6-14: Befestigung Halterung-Stab
49
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Fertigung 3. Die M6-Gewindestangen in die vorgesehen Gewinde in der Bodenplatte eindrehen und mit Muttern und Beilagscheiben versehen, wie in der Abbildung zu sehen.
Abbildung 6-15: Befestigung M6-Gewindestangen
4. Den Ablauftrichter mit Ablaufschlauch versehen und auf die M6-Gewindestangen positionieren und mit Muttern und Beilagscheiben fixieren.
Abbildung 6-16: Befestigung Ablauftrichter-Gewindestangen
5. Die Schablone zum Ausrichten des Wippengestelles auf die Muttern der M6-Gewindestangen auflegen und waagrecht und die Muttern waagrecht ausrichten. 6. Die Schablone entfernen und das Wippengestell ohne Wippe auf die M6-Gewindestangen positionieren.
Abbildung 6-17: Befestigung Wippengestell-Gewindestangen
50
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Fertigung 7. Als extra Bauteil die M10-Gewindestangen in die dafür vorgesehenen Gewinde im Auffangring drehen und mit Beilagscheiben und Muttern fixieren.
Abbildung 6-18: Befestigung Gewinde-Auffangtrichter
8. Den Auffangtrichter mit dem Kantenschutz versehen und auf den M10-Gewindestangen positionieren. Den Auffangtrichter mit Kantenschutz in die dazugehörige Nut im Auffangring drücken. 9. Den Auffangtrichter mit Beilagscheiben und Muttern auf den M10-Gewindestangen fixieren.
Abbildung 6-19: Befestigung Auffangtrichter-Auffangring
10. Das Bauteil Auffangring-Auffangtrichter unten mit Muttern und Beilagscheiben versehen und durch die Durchgangsbohrungen in der Bodenplatte stecken. 11. Das Bauteil Auffangring-Auffangtrichter von unten mit Hutmuttern fixieren.
51
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Fertigung 12. Auffangring und Bodenplatte mit dem Dichtstreifen versehen.
Abbildung 6-20: Befestigung Auffangring/Auffangtrichter-Bodenplatte
13. Die Elektronik im Gehäuse platzieren. 14. Die Regenwippe auf dem Gestell positionieren und den Auffangtrichter gegebenenfalls mittig darüber positionieren durch Einstellen der Muttern an den M10-Gewindestangen. 15. Die Außenwand um Auffangring Schnellspannern fixieren.
und
Bodenplatte
legen
und
mit
den
Abbildung 6-21: Endzustand Montage Niederschlagsmesser
52
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Zusammenfassung und Ausblick
7.
Zusammenfassung und Ausblick
Der Niederschlagsmesser konnte unter Beachtung der gegebenen Randbedingungen konstruiert werden. Beim Konstruieren ist die Theorie der Konstruktionssystematik beachtet worden. Dabei wurde ein Konzept erstellt. In einer Analyse wurden für jedes Bauteil verschiedene Lösungsmöglichkeiten gesucht und über Bewertungen zu einer finalen Prinzipienlösung zusammengefasst. Die Statikberechnungen beweisen eine stabile und sichere Konstruktion. Über Wärmeberechnungen konnten Heizelemente definiert und ausgelegt werden. Folgende Abbildung zeigt den Niederschlagsmesser als CAD-Modell:
Abbildung 7-1: Gesamtansicht des Niederschlagsmessers (CAD-Modell)
Mit freundlicher Unterstützung der Firma Rebstein aus Fischbach konnten bereits die Außenwand und der Auffang- sowie Ablauftrichter in zweifacher Ausfertigung gefertigt werden. Diese sind in der Werkstatt der Berufsakademie in Friedrichshafen noch weiter bearbeitet worden. Dabei wurden Laschen an die Trichter angelötet, die Oberfläche optimiert und die Trichter schließlich lackiert. Der Auffangring, die Bodenplatte und die Halterung (wieder in zweifacher Ausfertigung) wurden zur Fertigung bei Herrn Pausch in Auftrag gegeben. Das Material hierzu ist bereits bestellt und geliefert worden. Sämtliche Kaufteile wurden definiert und bestellt. In Zukunft müssen noch die fehlenden Teile, der Auffangring, die Bodenplatte und die Halterung gefertigt werden. Für die Heizung ist noch eine Regelung zu entwerfen, welche die Heizelemente entsprechend der Signale der Temperatursensoren regelt. Dann kann der Niederschlagsmesser anhand der Montageanleitung montiert und in Betrieb genommen werden.
53
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Tabellenverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Tabelle 3-1: Bewertungsmatrix Nutmöglichkeiten ...............................................................9 Tabelle 3-2: Bewertungsmatrix Materialwahl.....................................................................10 Tabelle 3-3: Bewertungsmatrix Schmutzfänger.................................................................13 Tabelle 3-4: Bewertungsmatrix Anschlusskanten..............................................................21
V
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1-1: Regenwippe nach dem Prinzip von Joss/Tognini........................................1 Abbildung 3-1: Regenwippe von Hauck, Pahl; [3] ...............................................................3 Abbildung 3-2: Maße des Stahlrohres .................................................................................3 Abbildung 3-3: Windzonen nach DIN 1055-4:2005-03; [1] ..................................................4 Abbildung 3-4: Windzonenkarte Deutschland; [1]................................................................4 Abbildung 3-5: Grobes Konzept Regenwippe......................................................................5 Abbildung 3-6: Analyse der verschiedenen Einzellösungen................................................6 Abbildung 3-7: Analyse Auffangring ....................................................................................7 Abbildung 3-8: Analyse Auffangtrichter ...............................................................................8 Abbildung 3-9: Nutmöglichkeiten; NUTE STARK VERGRÖSSERT DARGESTELLT.........9 Abbildung 3-10: Justiermöglichkeit des Trichters ..............................................................10 Abbildung 3-11: Analyse Regenwippe...............................................................................11 Abbildung 3-12: Ausrichtung der Schablone; [3] ...............................................................12 Abbildung 3-13: Befestigung der Wippe; [4] ......................................................................12 Abbildung 3-14: Lösungsmöglichkeiten zum Schutz vor Verschmutzung .........................12 Abbildung 3-15: Analyse Ablauftrichter..............................................................................13 Abbildung 3-16: Ablauftrichtersystem ................................................................................14 Abbildung 3-17: Anaylse Halterung und Bodenplatte ........................................................14 Abbildung 3-18: Konzept der Halterung mit Bodenplatte...................................................15 Abbildung 3-19: Halterung – Bodenplatte; Verschraubung ...............................................15 Abbildung 3-20: Anordnung Schrauben.............................................................................16 Abbildung 3-21: Kraft auf Schrauben.................................................................................16 Abbildung 3-22: Maximalkräfte für Schraubenberechnung................................................17 Abbildung 3-23: Halterung über Gewindekonzept .............................................................18 Abbildung 3-24: Stabmoment ............................................................................................19 Abbildung 3-25: Analyse Außenwand................................................................................20 Abbildung 3-26: Außenwandkonzept.................................................................................20 Abbildung 3-27: Konzept –Verschluss Außenwand...........................................................21 Abbildung 3-28: Verschiedene Anschlusskanten Außenblech ..........................................21 Abbildung 3-29: Berechnungstool Kupferlackdraht für den Auffangtrichter.......................25 Abbildung 3-30: Berechnungstool Kupferlackdraht für den Ablauftrichter .........................26 Abbildung 3-31: Anbringungsort der Auffangringheizung (rote Fläche).............................26 Abbildung 3-32: Berechnungstool Kupferlackdraht für den Auffangring............................27 Abbildung 3-33: Einbauvolumen für die Elektronik ............................................................29 Abbildung 4-1: Kantenschutz.............................................................................................30 Abbildung 4-2: Dichtstreifen...............................................................................................30 Abbildung 4-3: CATIA-Konstruktion Auffangring ...............................................................31 Abbildung 4-4: CATIA-Skizze Auffangring.........................................................................31 Abbildung 4-5: Korrosion durch Salzwasser an Titan-Zink................................................31 VI
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Abbildungsverzeichnis Abbildung 4-6: Perleffekt auf reinem Titan-Zink ................................................................32 Abbildung 4-7: Effekt der Zylinderhöhe auf kritische Auftreffwinkel...................................32 Abbildung 4-8: Trichterhöhe in Abhängigkeit vom Trichterwinkel......................................33 Abbildung 4-9: Gesamthöhe bei verschiedenen Trichterwinkeln.......................................33 Abbildung 4-10: Schubbeanspruchung Laschen ...............................................................34 Abbildung 4-11: Lasche Querschnitt..................................................................................34 Abbildung 4-12: CATIA-Konstruktion Auffangtrichter ........................................................35 Abbildung 4-13: Bildschirmausdruck FEM-Programm „Ebenes Rahmensystem“ .............37 Abbildung 4-14: CATIA-Konstruktion Gewindestangen M10.............................................38 Abbildung 4-15: CATIA-Konstruktion Gewindestangen M6...............................................38 Abbildung 4-16: Entwicklung Höhe Außenwand................................................................39 Abbildung 4-17: Schnellspanner für Außenwand ..............................................................39 Abbildung 4-18: CATIA-Konstruktion Außenwand.............................................................40 Abbildung 4-19: CATIA-Konstruktion Wippenbefestigung .................................................40 Abbildung 4-20: CATIA-Konstruktion Ablauftrichter...........................................................41 Abbildung 4-21: Befestigung Halterung-Stab ....................................................................41 Abbildung 4-22: CATIA-Konstruktion Halterung ................................................................42 Abbildung 4-23: CATIA-Konstruktion Bodenplatte.............................................................42 Abbildung 6-1: Fertiger Auffangtrichter (li) und Ablauftrichter (re) .....................................45 Abbildung 6-2: Herstellung der Laschen 1.........................................................................45 Abbildung 6-3: Herstellung der Laschen 2.........................................................................46 Abbildung 6-4: Herstellung der Laschen 3.........................................................................46 Abbildung 6-5: Teil der Lötproben zur Verfahrensoptimierung ..........................................46 Abbildung 6-6: Anzeichnen der Laschenposition...............................................................47 Abbildung 6-7: Anlöten der Laschen..................................................................................47 Abbildung 6-8: Ergebnis des Lötens..................................................................................47 Abbildung 6-9: Lackieren des Ablauftrichters ....................................................................48 Abbildung 6-10: Anlöten einer Lasche am Auffangtrichter ................................................48 Abbildung 6-11: Lackieren des Auffangtrichters ................................................................48 Abbildung 6-12: Fertig lackierte Trichter beim Trocknen ...................................................49 Abbildung 6-13: Befestigung Halterung-Bodenplatte.........................................................49 Abbildung 6-14: Befestigung Halterung-Stab ....................................................................49 Abbildung 6-15: Befestigung M6-Gewindestangen ...........................................................50 Abbildung 6-16: Befestigung Ablauftrichter-Gewindestangen ...........................................50 Abbildung 6-17: Befestigung Wippengestell-Gewindestangen..........................................50 Abbildung 6-18: Befestigung Gewinde-Auffangtrichter......................................................51 Abbildung 6-19: Befestigung Auffangtrichter-Auffangring..................................................51 Abbildung 6-20: Befestigung Auffangring/Auffangtrichter-Bodenplatte .............................52 Abbildung 6-21: Endzustand Montage Niederschlagsmesser ...........................................52 Abbildung 7-1: Gesamtansicht des Niederschlagsmessers (CAD-Modell)........................53
VII
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Internetquellen
Internetquellen
[1] www.wikipedia.de; Stichwort: „Niederschlag“, „Schnee“, „Spezifische Wärmekapazität“, „Schmelzwärme“, „Zink“, „Titan“, „Polyurethan“, „Kupfer“; zuletzt aufgerufen am 13.06.2007 [2] www.wettergefahren-fruehwarnung.de; zuletzt aufgerufen am 19.05.2007
VIII
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Literaturverzeichnis
Literaturverzeichnis
[3] Dillig, Bertram; „Inbetriebnahme, Justage und Kalibrierung einer Regenwippe“; Studienarbeit, BA Ravensburg, Außenstelle Freidrichshafen, Dezember 2006 [4] Hauck, Pahl; „Konstruktion und Bau einer Regenwippe nach dem Prinzip von Joss/Tognini“; Studienarbeit, BA Ravensburg, Außenstelle Friedrichshafen; Juni 2006 [5] Grote, K.-H.;Feldhusen, J.; Dubbel – Taschenbuch für den Maschinenbau; Springer Berlin Heidelber New York; 21. Auflage, 2005; [B61; B48f]
IX
Konstruktion eines Niederschlagsmessers Anhang
Anhang
Die im Anhang befindlichen Dokumente und Zeichnungen werden dem Layout dieser Dokumentation nicht angepasst und lediglich an dieses Dokument angehängt. Folgendes Verzeichnis gibt einen Überblick über den Anhang:
Zeitplan dieser Studienarbeit Stückliste Fertigungszeichnungen o Auffangtrichter mit Abwicklungen und Laschen o Ablauftrichter mit Abwicklung, Laschen und Ablaufröhrchen o Auffangring o Außenwand o Bodenplatte o Halterung o Hilfszeichnung zur Anbringung der Laschen an Auffangtrichter und Ablauftrichter CD-Rom mit CATIA-Modellen, Dokumentation und weiteren Mediainhalten
X
