Kraefteberechnung auf einen Stecker

Wissenschaft Physik
1

Hallo,

ich muss gerade die Kraefteeinwirkungen auf einen neu entwickelten Stecker berechnen. Da ich aber eigentlich aus der Elektrotechnik-Sparte komme, habe ich mit den mechanischen Kraeften bisher nicht viel am Hut gehabt.
Kann mir jemand sagen wie ich genau vorgehen kann?

Zur einfacheren Kommunikation tun wir einfach mal so, als ob wir die Kraft auf einen normalen Steckdosen-Stecker ausrechnen wollen wuerden. Durch das einstecken entsteht Reibung, die die Kontakte belastet. Allerdings weiss ich nicht wie genau ich diese Kraft berechnen kann (z.B. wo kommen Materialkonstanten zum Einsatz, Verformungen, ect).

Mir wurde gesagt ich solle das ganze mit der Finite Element Analysis machen, allerdings ist das ja nur eine Methodik um grosse DGL-Systeme zu loesen (wenn ich das richtig verstanden habe). Ich brauch allerdings einen Ansatzpunkt von dem ich starten kann.

Danke fuer die Hilfe!
Mit freundlichen Gruessen,

Stahlkopf

2

Ohje,

da muss schon einiges bekannt sein.
Also wenn ich dich richtig verstehe geht es im wesentlichen nur um den Einsteckvorgang und die dadurch resultierenden Reibekräfte.
Hier kommen zum einen die Reibungskoeffizienten ins Spiel. Die sind im wesentlichen von den beiden an einander reibenden Materialien abhängig aber auch Reibfläche muss bekannt sein (wobei ich gerade nicht genau weiß wie man verrechnet).
Die Kontakte in der Steckdose sind ja wahrscheinlich irgendwelche Federbleche, die die Kraft auf die Stecker ausüben. Die Kraft ist also wesentlich von der Federsteifigkeit und von der Länge der Bleche abhängig.

Ob man das wirklich mit FEM ausrechnen muss weiß ich nicht … das schwierigste wird das die Normal- und die Reibkräfte aufzustellen. Daraus sollte sich dann recht gut eine Belastung errechnen lassen.

Gruß
TeaAge

3

Hallo TeaAge,

vielen Dank fuer deine Antwort.

Ohje,

da muss schon einiges bekannt sein.
Also wenn ich dich richtig verstehe geht es im wesentlichen
nur um den Einsteckvorgang und die dadurch resultierenden
Reibekräfte.

Genau, es geht darum dass das Innenleben der Kontakte nach zweimal rein und raus total verbogen ist. Ausserdem (und das is der eigentlich wirklich wichtige Part) soll es fuer einen Menschen moeglich sein den Stecker in die Buchse schieben zu koennen (also darf nicht zu schwer gehen), der Stecker soll aber dann trotzdem so fest sitzen dass er haelt.

Hier kommen zum einen die Reibungskoeffizienten ins Spiel. Die
sind im wesentlichen von den beiden an einander reibenden
Materialien abhängig aber auch Reibfläche muss bekannt sein
(wobei ich gerade nicht genau weiß wie man verrechnet).

Die Materialen sind bloederweise noch nicht bekannt, da wir uns noch nicht darauf einigen konnten ob wir den Kontakt dicker machen und dafuer billig beschichten oder duenn und dafuer recht teuer beschichten. Die Flaeche ist waere relativ einfach zu berechnen, da die Kontakte rechteckig sind.

Die Kontakte in der Steckdose sind ja wahrscheinlich
irgendwelche Federbleche, die die Kraft auf die Stecker
ausüben. Die Kraft ist also wesentlich von der
Federsteifigkeit und von der Länge der Bleche abhängig.

Ich hab sowas schon fast vermutet. Im Moment sind wir noch am ausprobieren, deswegen gibts dafuer noch keine entgueltige Loesung. Ich hab gehofft dass ich die Kontaktbleche in der Buchse fest arettieren kann und dafuer die Kontakte des Steckers enger anbringen als sie sein muessten und damit die Kraft aufeinander aufbauen kann.

Ob man das wirklich mit FEM ausrechnen muss weiß ich nicht …

Weiss ich eben auch nicht, ich hab damit noch nie gerechnet und fand des vom ersten Blick her uebertrieben aufwendig.

das schwierigste wird das die Normal- und die Reibkräfte
aufzustellen. Daraus sollte sich dann recht gut eine Belastung
errechnen lassen.

Ich hab jetzt den Vormittag ueber die Normalkraft in Abhaenigkeit von der Biegung berechnet. Hab dazu eine Formel gefunden und hab damit mal ein ewig langes Excel-Sheet erstellt.
Ich schau einfach mal was mein Chef dazu sagt. Vielen Dank dass du dir mal gedanken gemacht hast!

Gruß
TeaAge

Mit freundlichen Gruessen,

Stahlkopf

Hallo,

ich muss gerade die Kraefteeinwirkungen auf einen neu
entwickelten Stecker berechnen. Da ich aber eigentlich aus der
Elektrotechnik-Sparte komme, habe ich mit den mechanischen
Kraeften bisher nicht viel am Hut gehabt.
Kann mir jemand sagen wie ich genau vorgehen kann?

Zur einfacheren Kommunikation tun wir einfach mal so, als ob
wir die Kraft auf einen normalen Steckdosen-Stecker ausrechnen
wollen wuerden. Durch das einstecken entsteht Reibung, die die
Kontakte belastet. Allerdings weiss ich nicht wie genau ich
diese Kraft berechnen kann (z.B. wo kommen Materialkonstanten
zum Einsatz, Verformungen, ect).

Mir wurde gesagt ich solle das ganze mit der Finite Element
Analysis machen, allerdings ist das ja nur eine Methodik um
grosse DGL-Systeme zu loesen (wenn ich das richtig verstanden
habe). Ich brauch allerdings einen Ansatzpunkt von dem ich
starten kann.

Danke fuer die Hilfe!
Mit freundlichen Gruessen,

Stahlkopf

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Genau, es geht darum dass das Innenleben der Kontakte nach
zweimal rein und raus total verbogen ist. Ausserdem (und das
is der eigentlich wirklich wichtige Part) soll es fuer einen
Menschen moeglich sein den Stecker in die Buchse schieben zu
koennen (also darf nicht zu schwer gehen), der Stecker soll
aber dann trotzdem so fest sitzen dass er haelt.

Das Verbiegen sollte sich doch recht gut unterbinden lassen, in dem man den Kontakt mit 2 Federblechen (von oben und unten) schließt, sich die Kräfte also ausgleichen.
Wenn die sagst das es dem Menschen möglich sein soll, dann kann ich davon ausgehen, das der Stecker etwas größer ist?

Die Materialen sind bloederweise noch nicht bekannt, da wir
uns noch nicht darauf einigen konnten ob wir den Kontakt
dicker machen und dafuer billig beschichten oder duenn und
dafuer recht teuer beschichten. Die Flaeche ist waere relativ
einfach zu berechnen, da die Kontakte rechteckig sind.

Das die Materialien noch nicht bekannt sind, muss ja kein Nachteil sind, man kann sich grob Gedanken über die Geometrien und die Belastungen und sucht am Ende ein passendes Material aus.
Wobei sich Metalle zumindest beim Reibungskoeffizient nicht so viel nehmen. Im Übrigen ist die Fläche doch relativ irrelevant für die Reibkraft. Für die ersten Schritte kannst du von einem Reibungskoeffizienten von ca 0,1 bei Metall/Metall ausgehen.

Bei den Federblechen in der Buchse würde ich mal nach genormten Teilen suchen, da gibt es sicherlich einiges, ob und wie das bei euch machbar ist, ist natürlich eine andere Frage.

Ich hab sowas schon fast vermutet. Im Moment sind wir noch am
ausprobieren, deswegen gibts dafuer noch keine entgueltige
Loesung. Ich hab gehofft dass ich die Kontaktbleche in der
Buchse fest arettieren kann und dafuer die Kontakte des
Steckers enger anbringen als sie sein muessten und damit die
Kraft aufeinander aufbauen kann.

Hier kann ich dir leider nicht folgen. Was mein du denn damit „die Kräfte aufeinander aufbauen“?
Ich weiß ja nicht wie vertraulich das alles ist aber wenn du eine grobe Skizze machen könntest, lassen sich bestimmt bessere Aussagen treffen.

Ich hab jetzt den Vormittag ueber die Normalkraft in
Abhaenigkeit von der Biegung berechnet. Hab dazu eine Formel
gefunden und hab damit mal ein ewig langes Excel-Sheet
erstellt.

So was ist nie verkehrt, eventuell muss man am Ende immer etwas „rumspielen“ bis alles passt.

Gruß

5

Hallo,

eventuell muss man am Ende immer etwas „rumspielen“ bis alles passt.

und beim „rumspielen“ nicht die Toleranzen vergessen, denen die Teile nachher in der Serienfertigung ausgesetzt sein werden : Maßtoleranzen und Streuungen im Reibwert.
Gruß
Karl

6

Ja, ich gebe zu das mit den „Kraefte aufbauen“ war nicht sehr gut beschrieben. Es war so gemeint, dass ich eben versuche die Kontakte der Buchse fest zu haben (also die werden von keinen Federn zusammengedrueckt), dafuer aber die Kontakte der Stecker auseinanderspreizen lasse (OGott, ich entschuldige mich fuer diese umstaendliche Beschreibung).

Ich denke ne Skizze is zum aktuellen Zeitpunkt nicht die beste Idee, da der Stecker ja noch in Entwicklung ist und ich darueber nicht zu viel preisgeben will.

@KH: Das mit der Tolleranz ist ein berechtigter Einwand. Daran habe ich noch ueberhaupt nicht gedacht, werde es aber jetzt in meine Ueberlegungen mit einbeziehen.

Vielen Dank euch beiden!

7

Ich könnte mir das wie folgt vorstellen:

http://www.k55.ch/out/oxbaseshop/html/0/images/wysiw…

In der Plastikbuchse sind in den einzelnen „Aufnehmern“ 2 gegenüberliegende Federbleche, die erst konisch auf einander zu gehen und dann eine gewisse Länge auf einander liegen.
Am Stecker selber sind dann platte, rechteckige Pins die man da eben rein schiebt.
Das ist relativ platzsparend und sicher, die Aufnehmer sind wahrscheinlich genormt also billig zu erwerben, die Pins auch … im Zweifelsfall lassen sie sich auch einfach produzieren.

Gruß

8

Hallo,

Das ist relativ platzsparend und sicher,

Bei meinem Hobby (Flipperautomaten restaurieren) gibt es genau mit dieser Art von Kontakten Probleme. Sicherer sind da Kontakte, die sich beim Stecken ineinander ‚eingraben‘ und dadurch eine gasdichte, nichtoxidierende Kontaktstelle bilden.
Die Anforderung ‚Dauerhaftigkeit des Kontaktes‘ widerspricht halt leider oft der Anforderung ‚oft steckbar‘. Kommt halt immer drauf an, was man will.
Gruß
loderunner