Wie viel Belastung hält ein Rohr aus?

Technik Mechanik & Konstruktion
#1

Ein herzliches Hallo an alle.

Wir wollen ein Wasserrad bauen, und fragen uns welche Achse dafür geeignet ist.
Das ganze soll so konstruiert sein das man es mit Handarbeit bewältigen kann (keine möglichkeit mit Baumaschinen zu hantieren).

Nun wollten wir ein Rohr mit folgenden Maßen verwenden:
Außendurchmesser 88,9mm.
Innendurchmesser 68,9mm.
Wandung wäre dann 10,0mm.
Länge 3000mm
Material aus handelsüblichem Stahl S235JR / St37-2.

Nun die Frage:
Hält dieses Rohr gute 500 Kg belastung aus?
Oder anders gefragt, bis wieviel Kg kann man es belasten wenn man oben genannte Angaben verwendet?
Ist das zu überdimensioniert?
(Zu den 500 Kg wurde die Eisansetzung im Winter schon in etwa dazu gerechnet)

Wenn nicht, was könnte dann für ein Rohr verwendet werden?
Es sollte aber beim Außendurchmesser 88,9mm bleiben.

Ein vollmaterial als Achse ist undenkbar für uns, da es zu schwer für den einbau und transport wäre.

Vielen Dank schonmal für die Antworten.

#2

Hallo Mondkugel

so was kann man berechnen wenn man noch mehr Informationen hat.
Wo ist das Rohr gelagert und in welchem Abstand?
Wo tritt die Belastung auf und ist es eine Flächenlast oder Punktlast?
Wie groß ist das zu übertragende Moment?
Eine Skizze wäre das einfachste.

Gruß notna

#3

schlechtestenfalls …
Hallo,
das Flächenträgheitsmoment ist pi/64*(D^4-d^4)
3,14/64*(88,9^4-68,9^4)=196cm^4
Das Widerstandsmoment ist obiger Wert durch RandfaserAbstand, also 196 cm^4/8,89 cm *2=44,1 cm^3
Bei mittigem Kraftangriff und einfacher Lagerung an den Enden ergibt sich ein Biegemoment von 5000N*300cm/2=75.000 Ncm.
Somit errechnet sich die Spannung zu 75.000 Ncm/44,1 cm^3 = 1700 N/qcm bzw. 17 N/mm^2, was sehr gering ist im Vergleich zu etwa 100 N / mm^2, die man bei geschweißten Konstruktionen ansetzen kann. Allerdings kommt noch das Eigengewicht des Rohres hinzu ( als Streckenlast ). Diese wird mit etwa 19,5 kg/m angegeben.
Dann kommt die Berechnung der Durchbiegung:
Diese beträgt für die Punktlast F*l^3/48/E/I= 5.000 N*(300 cm)^3/48/(2100000 N/qcm)/(196 cm^4)=0,6833 cm.
Hinzu kommt die Durchbiegung aus der Streckenlast ( Eigengewicht ) mit
5/384*q*l^4/E/I = 5/384*1,95 N/cm * (300 cm )^4/(21000000N/cm^2)/196 cm^4= 0,05cm.
Das dürfte für eine Wasserradaufhängung erträglich sein.
Für Rechenfehler keine Gewähr.
Schönes WE noch
Thomas

#4

Hallo,

Das dürfte für eine Wasserradaufhängung erträglich sein.
Für Rechenfehler keine Gewähr.

So weit, so gut.
Aber: Was ist das für ein Wasserrad?
Hängt es mit der Unterseite der Schaufeln im Wasser und wird durch den Wasserdruck des strömenden Wassers in Drehung versetzt?
Oder läuft das Wasser oben ein und füllt vllt. Taschen?
Dann können doch noch evtl. erhebliche Zusatzkräfte auftreten.
Ich weiss nicht, ob man das alles nur so statisch sehen kann, wie die bisherigen Berechnungen sind.
Dreht es sich nur oder treibt es auch etwas an?
Dann treten zusätzlich Drehmomente auf.
Ich finde die Aufgabenbeschreibung und die Antworten etwas unbefriedigend.

Gruß:
Manni

#5

Hallo,

danke erstmal für die Antworten.

Die gesamte konstruktion ist ein unterschlächtiges Wasserrad das nur mit der Strömung angetrieben wird.
Vorerst wird es nur als Anschauungsobjekt betrieben, was mit einer späteren Planung zur Kleinenergiegewinnung für die Scheune genutzt werden soll, aber letzteres ist erst mal noch Nebensache.

Mir geht es generell nur mal um die Belastung der Achse, welche mit beidseitiger außenlagerung versehen wird. Den Abstand der beiden Lagerungen haben wir bei etwa 250cm festgelegt.
Das Rad selbst ist mittig angeordnet, was daher eine Punktlast ergeben müsste.

Vielen Dank schonmal für weitere Antworten.

#6

Hi,
wenn du konkrete Aussagen haben möchtest, ob und welche Kräfte das Rohr aushält ist eine Skizze am besten.

Einfach das Rohr skizzieren und wo das Laufrad sitzt. Wo die Lager (Los- / Festlager) sitzen und welche Kräfte zu berücksichtigen sind (Pfeile). Zusätzlich ist eine Angabe zum Laufradtyp und Größe erfreulich, da man damit überprüfen kann ob du nicht irgendwelche Kräfte vergessen hast.

Zusätzlich ist auch interessant wieviel Wasser durch das Laufrad fließen soll. Eher ein kleines Bächlein oder ein etwas größerer Fluss? Am besten grobe Schätzung in Liter/min, Liter/Stunde oder so.

Liebe Grüße
Olli87

#7

Vielen Dank für die vielen Antworten.
Hiermit füge ich noch einiges hinzu.

Das ganze soll ein unterschlächtiges Wasserrad ergeben.
Die Lagerungen haben einen innenabstand von etwa 250cm.
Die Radbreite ist bei 50cm festgelegt.
Das Rad ist mittig auf der Achse befestigt, was somit eine Punktlast ergeben sollte.
Der Raddurchmesser beträgt 250cm.
Es ist geplant einen kleinen Generator (Permanentmagnetgenerator mit Gleichrichtung) mit einigen 100 watt daran zu betreiben um etwas Licht in die Scheune zu bringen, was aber an letzter Stelle steht. Vorerst ist es nur ein Anschauungsobjekt.

Vielen Dank schonmal für weitere Antworten.

Wir wollen ein Wasserrad bauen, und fragen uns welche Achse
dafür geeignet ist.
Nun wollten wir ein Rohr mit folgenden Maßen verwenden:
Außendurchmesser 88,9mm.
Innendurchmesser 68,9mm.
Wandung wäre dann 10,0mm.
Länge 3000mm
Material aus handelsüblichem Stahl S235JR / St37-2.
Nun die Frage:
Hält dieses Rohr gute 500 Kg belastung aus?
Oder anders gefragt, bis wieviel Kg kann man es belasten wenn
man oben genannte Angaben verwendet?

Wenn nicht, was könnte dann für ein Rohr verwendet werden?
Es sollte aber beim Außendurchmesser 88,9mm bleiben.

Ein vollmaterial als Achse ist undenkbar für uns, da es zu
schwer für den einbau und transport wäre.

#8

Nachtrag
Hallo noch einmal,
heute mittag war ich etwas oberflächlich, weil mein Magen knurrte.
Da habe ich doch tatsächlich die Betriebsbelastung außen vor gelassen und nur mit den bekannten Größen gerechnet. Diese wird sich meiner Meinung nach aber auch in der gleichen Größenordnung bewegen wie die Gewichtskräfte, jedoch in einem um 90° gedrehten Winkel angreifen. Somit bleibt die Welle stark überdimensioniert. Wenn man aber das Stück Rohr schon hat, kann man es trotzdem verwenden … oder eben umtauschen :wink:
Wenn man aber lieber eine gewichtsoptimierte Hochleistungsturbine ausarbeiten will, sollte man ( bei reduzierter Wandstärke ) auch die Torsion berücksichtigen und für eine ordentliche Querkrafteinleitung an örtlichen Verstärkungen sorgen.
Wie schon angedeutet wurde, fehlen für so eine aufwändige Berechnung aber noch einige Angaben … eine Skizze der bisher bekannten Gegebenheiten sollte dann auch vorliegen. Aber vielleicht muss der Fragesteller die bisherigen Antworten zuerst einmal soweit „verdauen“ und uns dann ggf. über konzeptionelle Änderungen informieren.
Es gibt viel zu tun -
Warten wir´s ab :wink:
Freundliche Grüße
Thomas

#9

Hi,

wieviel Liter Wasser fließen denn in einer Stunde oder Minute durch das Laufrad? (Grobe Größenordnung)
Und wie tief ist das Laufrad in das Wasser eingetaucht?

Worauf ich hinaus will:
Bei bekannter Drehzahl des Laufrades und gegebener (Ziel-)Generatorleistung kann das Moment am Laufrad ermittelt werden. Neben dem Eigengewicht des Laufrades ist dieses maßgeblich für die Auslegung des Rohres. Die Spannungen aus dem Eigengewicht und dem Moment (Torsion) auf dem Rohr überlagern sich. Aus beiden Spannungen muss eine Vergleichsspannung gebildet werden und diese anschließend bewertet.

Aber nicht erschrecken! Es reicht aus wenn du uns den Volumenstrom - also wieviel Liter Wasser in einer Stunde oder Minute das Laufrad durchfließen - und die Eintauchtiefe des Laufrades angibst.

Liebe Grüße
Olli87

PS: Ab Montag bin ich im Urlaub für 8 Tage :smiley:, melde mich also höchstens morgen nochmals zu dem Thema :wink:

#10

Hallo Mondkugel

es ist schon viel geschrieben worden, nun möchte ich noch meinen Beitrag dazu leisten.
In diesem Link ist ein Exceldatenblatt, wo du die Belastung und Durchbiegung berechnen kannst. Somit kannst du deine Welle optimieren.
http://www.schweizer-fn.de/test/forum/Wellenberechnu…

Die angenommene Abtriebsleistung von 100 W bei einer angenommenen Drehzahl von 7 U/min kann vernachlässigt werden.

Die Berechnung von falken stimmt nicht, beim Biegemoment hat er sich um eine Zehnerstelle verrechnet und das max Biegemoment ist F*L/4.

Wie du siehst ist die Welle nicht so stark überdimensioniert.

Gruß notna

Maximale Zuglast auf waagerechtes Rohr