Mechanische Kraft eines Antrieb ermitteln/schätzen

[Kiam]

Hallo Forenmitglieder,

ich habe einen DC-Getriebe-Motor (12V, 60 Umdrehungen pro Minute, Angabe 0,41 Ncm).
An diese Achse soll eine Gewindestange M8 vertikal eine Mutter bewegen.

Mit welchem Gewicht könnte ich die Mutter belasten bzw schafft der Motor das ?

Physik ist nicht so meine Sache und die Formeln im Netz ... da steige ich nicht ganz durch ...

Könnt ihr mir hier auf die Sprünge helfen ?

Kiam

[ranke]

Mit welchem Gewicht könnte ich die Mutter belasten bzw schafft der Motor das ?
Größenordnungsmäßig etwa 0,25 bis 0,3 kg. Ich habe zu dieser Abschätzung aus einer Tabelle für Anzugsmoment und Vorspannkraft von M8x1,25 (http://www.schrauben-normen.de/anziehmomente.html) den Wert zum Anzugsmoment (42Nm bei Festigkeitsklasse 12.9) gesucht. Das ist etwa um den Faktor 10000 mehr als Dein Motor schafft. Entsprechend wird sich die Vorspannkraft von 28 kN um den Faktor 10000 verringern auf etwa 2,8N. Genau rechnen kann man so etwas nicht. M-Gewinde haben viel Reibung, die sich hartnäckig einer genauen Berechnung entzieht. Auch unbekannt sind die Reibungsverluste im Stützlager, ein Anteil dieser Verluste ist aber schon in der Berechnung der Vorspannkraft berücksichtigt. Trotzdem wird man sorgfältig und reibungsarm aufbauen müssen um den Wert zu erreichen.

[Manf]

Für einen Rechenansatz kann man das System auch erst einmal reibungsfrei betrachten und dann aus Erfahrung die erheblichen Reibungsverluste hinzufügen.

Demnach dreht der Motor mit einer Winkelgeschwindigkeit von (2pi*Upm/60) 6,28/s und hat ein Moment von 4,1mNm.
Das entspricht einer Leistung von 26mW, oder bei 12V einer Stromaufnahme von 2mA (ohne Motorverluste).

An der Stelle sollte man noch einmal nachsehen, ober das Motormoment vor dem Getriebe angegeben ist.
Sonst ist er sicher etwas klein um ausgerechnet mit einem M8 Gewindestange zu arbeiten.
Mit einer feineren Konstruktion hat man auch weniger Verluste.

Setzt man die Leistung von 26mW zum Anschieben mit einer Geschwindigkeit von 1,25mm/s um, dann ergibt sich ohne Verluste eine Kraft von P/v also 20N. Damit könnte man ohne Verluste 2kg anheben. Die Verluste beim Einsatz einer M8 Gewindestange können leicht bei 75% bis 90% oder mehr liegen. Das deckt sich dann mit der Betrachtung oben.
Bei nur 26mW Antriebsleistung kann die Konstruktion auch leicht in der Haftung stecken bleiben.

[Geistesblitz]

Würde auch sagen, dass das nicht die Drehmomentangabe ist, die du brauchst. Ich hab hier einen kleinen Getriebemotor, der 78 U/min macht und bei Blockieren 2Nm erzeugt (Nenndrehmoment liegt bei 0,4Nm). Selbst wenn das die Drehmomentangabe vor dem Getriebe sein sollte, kann man das hinter dem Getriebe zwar abschätzen, allerdings ohne die Getriebeverluste.

[Kiam]

Mir ist ein Fehler unterlaufen: es sind 0,41 Nm statt 0,41 Ncm.
Es wäre dieser Getriebemotor:

http://www.pollin.de/shop/dt/ODE1OTg2OTk-/Motoren/DC_Getriebemotoren/Gleichstrom_Getriebemotor_PGM_37DC12_77.html?utm_s ource=google&utm_medium=pvgl&utm_content=310481&gclid=CKqFysWCnMcCFSoEwwod-I0I7A

Mit was kann ich dann rechnen so über den Daumen ? Um die Reibungsverluste etwas zu verringern denke ich an etwas Teflonspray ans Gewinde.

[White_Fox]

ich habe einen DC-Getriebe-Motor (12V, 60 Umdrehungen pro Minute, Angabe 0,41 Ncm).
An diese Achse soll eine Gewindestange M8 vertikal eine Mutter bewegen.

Mit welchem Gewicht könnte ich die Mutter belasten bzw schafft der Motor das ?
Hast du zu deinem Motor vielleicht auch eine Leistungsangabe oder einen Nennstrom? Damit könnte man die Leistung besser abschätzen um dir zu helfen.

[Kiam]

Nur noch das Diagramm im Datenblatt dass man bei dem Link von Pollin herunteraden kann.

[ranke]

es sind 0,41 Nm statt 0,41 Ncm

Dann wären es so um die 25 bis 30 kg Last (Abschätzung wie in Post #2).
Wenn die Last als Druckspannung in die Gewindestange eingeleitet werden soll darf sie nicht zu lang sein, wegen Gefahr des Knickens.
Teflonspray: geht im Prinzip aber immer nur solange wie es eben geht. Über längere Zeit ist damit kein Reibwert aufrecht zu erhalten, außer man schmiert immer wieder neu. Eventuell sollte man über Messing als Material für entweder Mutter oder Gewindestange nachdenken, das läuft erfahrungsgemäß leichter als Stahl auf Stahl.

[Geistesblitz]

Genau die Motoren hab ich auch da :)
Ich hab mir mal die Gewindestangen im Baumarkt genauer angeguckt, die Edelstahlstangen haben meist eine ganz brauchbare Präzision. Mir wurde da mal ein Trick verraten, einfach zwei Muttern nehmen, eine raufdrehen und die andere dann vorsichtig gegen die andere Mutter drehen. Verkanten die Muttern sofort, ist das Gewinde Mist, lässt sich die erste Mutter mit der zweiten weiter drehen ist es gut. Dazu dann eine Messingmutter und das sollte dann als Spindelantrieb gut gehen.

Übrigens komm ich bei meiner Rechnung auf einen Idealwert von über 200kg, mit Einbeziehung der Reibungsverluste sollte davon aber noch zumindest die Hälfte übrig bleiben. Wenn ich die Formel F=2*Pi*M/s mit M: Drehmoment und s: Spindelsteigung nehm, erhalte ich 2060,88N. Mit ca. 75mm/min ist es aber dafür auch recht langsam. Vielleicht doch ein größeres Gewinde mit größerer Steigung verwenden?

[Kiam]

Ich wäre mit 15 kg schon voll zufrieden ... ;)

Ich baue demnächst das Ganze in eine vernünftige und stabile Hebevorrichtung (mit 2 Teleskopschienen jeweils an den Seiten und an einer Holzkonstruktion befestigt. Querstrebe darüber und der Motor mit Gewindestange darunter. Im Keller fand ich noch Edelstahlstangen (20 cm lang) M16x1,5 mit Edelstahlmuttern.
Eine Idee das ganze zu verbinden - ohne das es gleich zerlegt - habe ich auch schon.

Das mit dem Gewindetest ist gut. Probiere ich dann aus und öle es gut ein.

Es soll langsam fahren, das ist beabsichtigt. Und dann will ich es genau wissen wieviel kg es wirklich schafft ohne den Motor zu quälen. Allerdings wird dabei der Strom ansteigen. Kann ich die Angabe im Datenblatt als max. Grenzwert nehmen ? Das heißt wenn der Strom darüber steigt dann bin ich über die Belastungsgrenze des Motors und er kann Schaden nehmen ? Also kann ich das max Gewicht danach bemessen wieviel Strom dieser dann zieht ?

[Klebwax]

Kann ich die Angabe im Datenblatt als max. Grenzwert nehmen ? Das heißt wenn der Strom darüber steigt dann bin ich über die Belastungsgrenze des Motors und er kann Schaden nehmen ?

Nicht wirklich. Der Strom selbst macht den Motor nicht kaput. Er wird entweder mechanisch z.B durch zu hohe Drehzahl über zu lange Zeit oder thermisch zerstört. Da schmilzt dann die Isolierung der Wicklung und er ist hin. Wenn man die Temperatur nicht misst, ist der Grenzfall schwer zu bestimmen.

Oft wird als Nennstrom ein Wert angegeben, bei dem der Motor im Dauerbetrieb bei freier Konvektion betrieben werden kann, ohne zu überhitzen. Manchmal findet man aber auch eine Einschaltdauer angegeben, so bei Fensterhebern, Rolladenmotoren und den meisten Haushaltsgeräten. Auch ein Akkuschrauber wird häufig im Überlastbereich betrieben. Den Extremfall wenn der Motor blockiert halten manche für Minuten aus. Je größer seine Wärmekapazität ist und je kälter er war, desto länger gehts gut.

Kurzzeitig kann man einen Elektromotor sicher 5 fach überlasten. Ich habe, wenn ich mich recht erinnere, mal bei Fensterhebern 10% ED beim angegebenen Nennstrom gefunden. Das klingt nach mehr als der 5 fachen Überlast. Da muß dann aber die Mechanik mitspielen.

MfG Klebwax

[Kiam]

Bei der Beschreibung des Motors steht:

"Stromaufnahme im Leerlauf: 0,19 A (max. 0,63 A unter Last)"

Das heißt ich kann den Motor mech. so stark belasten bis der Strom auf 0,63 A ansteigt und wenn ich dann nicht darüber gehe dann hält der Motor und Getriebe das im Dauerlauf aus. Wie sähe das dann aus bei PWM ? Wie soll ich dann den Strom messen ?

Eigentlich aber gut zu wissen dass kurzfristige mehrfache Überlast das nicht gleich zum Exodus führt. ;)

Ich hoffe ich weiche damit nicht zu weit vom Thema ab, aber ich brauche das um zu wissen was dieser Getriebemotor leisten kann.

Ich plane die Frequenz der PWM (über den LM298) vorläufig auf 16 kHz anzusteuern. Um den Strom mit einem normalen Multimeter messen zu können bräuchte ich einen RC-Tiefpass mit einer Grenzfrequenz von 1,6 kHz (richtig ? Grenzfrequenz 10 fach niedriger ansetzen ?). Wenn ich richtig gerechnet habe dann R=10 k und C=10 nF ... Nur, wo hänge ich das Ganze am besten an ?

Sorry, ich habe nicht soviel Ahnung.

[Geistesblitz]

Eigentlich dürfte der Motor durch seine Induktivität den Strom schon glätten, wirklich sicherstellen lässt sich das aber nur mittels Oszilloskop. Sind 15kg wirklich die maximale Last? Das dürfte der Motor ohne Probleme mitmachen und dabei auch nicht wirklich viel Strom ziehen. Anhand der Kennlinie lässt sich das sogar herausfinden, nehmen wir mal deine 15kg zugrunde, das über die Spindelübersetzung aufs Motormoment umgerechnet ergibt gerade mal 0,03Nm, selbst wenn man annimmt, dass die Reibung nochmal so viel Drehmoment braucht, sind es nur 0,06Nm. Wenn man dann mal in die Kennlinie des Motors guckt, kommt man vielleicht irgendwo bei 0,25A raus. Das Datenblatt widerspricht sich da aber auch ein wenig, in den Daten steht No-Load Current 0,08A, in der Kennlinie siehts mehr nach 0,2A aus. Eine Stromüberwachung macht trotzdem Sinn für eine Blockiererkennung beispielsweise. Sowas ohne Oszilloskop zu implementieren wird aber sicher abenteuerlich.

[White_Fox]

Bei PWM-Steuerung hängst du noch eine Diode rein-und gut ist. Die Inuktivität des Motors glättet den Strom dann, sodaß dieser (vom Rippel abgesehen) einigermaßen konstant ist. Auf die Anzeige deines Multimeters kannst du aber in diesem Fall pfeifen. Je nach Ausführung und Preis des Multimeters kannst du frequente Ströme/Spannungen komplett vergessen, und dieses Dilemma fängt schon im unteren 100Hz-Bereich an.

Fangen wir anders herum an: 0,63A und 12V ergeben eine Leistungsaufnahme von 7,56W. Wir vereinfachen die ganze Geschichte, und ziehen davon einfach die Leerlaufleistung ab, die beträgt (12V*0,19A) 2,28W. Dann bleiben dir also als Nutzleistung 5,28W übrig.

Deine 60U/min -> 1U/s. Daraus folgt dann ω=2π*1U/s=2π.
Deine mechanische Leistung berechnet sich zu P=M*ω (M=Drehmoment), daraus folgt dann für dein Drehmoment: Mmax=5,28W/2π=0,84Nm.

Ich würde das noch ein wenig abrunden um auch noch die Getriebeverluste mit einzubeziehen, und dann weißt du was du dm Motörchen maximal zumuten solltest. Viel ist es nicht, und wenn ich mir die erste Threadseite nochmal durchlese wirst du über deiner Gewindestange nochmal fette Verluste einfahren.

Mist, Geistesblitz war schneller...

[Manf]

Spindelübersetzung ... selbst wenn man annimmt, dass die Reibung nochmal so viel Drehmoment braucht ... ... noch ein wenig abrunden um auch noch die Getriebeverluste mit einzubeziehen

Die Getriebeverluste in dieser Größenklasse mit Leistung und Stufenzahl liegen bei knapp 50%, und das ist immerhin ein für den Zweck konstruiertes Teil. Das deckt sich zufälligerweise recht genau mit dem für den Motor angegebenen Moment von 0,41Nm, geteilt durch das verlustfrei berechnete Moment von 0,84Nm. (51%)
Die Spindel ist eine Eigenkonstruktion aus nicht für den Zweck optimierten Teilen. Die Verlauste werden in dem Teil entsprechend höher liegen, wie gesagt eher bei 75-90%.
Es ist sicher ein Erfahrungsgewinn einmal Getriebemotoren unterschiedlicher Leistung und Übersetzung (Stufenzahl) bezüglich ihrer Verlauste zu betrachten.

Für die Aufgabe hier nur die Anmerkung: Die Verluste sind eher etwas höher als die geschätzten Werte.

[Kiam]

Erstmal Vielen Dank für eure Antworten!

Wenn ich meine "Hebebühne" gebaut habe gibts natürlich auch ein Bildchen und Ergebnisse.

[hbquax]

Ich denke auch, daß Reibungsverluste von nur 50 % zu optimistisch sind, die Berechnung ziemlich am Anfang mit den Vorspannkraft-/Drehmomentwerten aus dem Tabellenbuch ist der richtige Ansatz. Bei Spindelgetrieben mit kleiner Steigung wird immer der Großteil des Drehmoments für die Überwindung der Reibung aufgebracht, nur ein kleiner Teil wird in Hubkraft verwandelt.

Statt Teflonspray bietet sich eigentlich ganz normales Mehrzweckfett (Maschinenfett, Wälzlagerfett o.ä.) an, das wurde genau dafür erfunden.