Aufgabe Vorschlag C - 1 - Welle-Nabe-Verbindungen und Kup… · Abitur Hessen Mechatronik LK 2022

Kaffeeautomat

Ein Kaffeeautomat ist eine Kaffeemaschine, die nach der Espresso-Methode diverse Kaffeevarianten produzieren kann.

Der Kaffeeautomat besteht aus einem Mahlwerk, einem Heißwasserbereiter (Durchlauferhitzer / Thermoblock), einer Pumpe sowie einer Brühgruppe mit Antrieb. Je nach Hersteller ist die Brühgruppe dauerhaft im Gerät installiert oder kann zu Reinigungs- und Wartungszwecken aus dem Gerät entnommen werden. Eine Bedieneinheit steuert die Einrichtungen zur Heißwasserbereitung und zum Milchaufschäumen. Ferner erlaubt sie die Einstellung von Tassengröße, Brühtemperatur, Wasserhärte (zur Festlegung der Entkalkungszyklen) und ggf. Pulvermenge (Stärke des Kaffees).

Das Mahlwerk zerkleinert die Bohnen direkt vor dem Brühvorgang. Die meisten Kaffeeautomaten bieten die Möglichkeit der exakten Einstellung des Mahlgrades, wodurch die Intensität des Kaffees individuell bestimmt werden kann. Die Bohnen werden im Mahlwerk zuerst grob gestückelt und gelangen anschließend in engere Bereiche, in denen sie immer weiter bis hin zum gewünschten Mahlgrad verarbeitet werden. Moderne Kaffeeautomaten besitzen Kegel- oder Scheibenmahlwerke aus Keramik oder gehärtetem Stahl.

Durch den Brühvorgang, der bei einem Kaffeeautomaten in der Regel bei weniger als 30 Sekunden für eine Tasse Kaffee liegt, werden durch einen Druck von ca. 7,5–9 bar mehr ätherische Öle und Aromen freigesetzt, jedoch durch die kurze Brühdauer weniger Koffein, Gerbsäuren und Bitterstoffe. Das macht den Kaffee bekömmlicher und aromatischer.

Material 1: Kegelmahlwerk – Funktionsweise

Kegelmahlwerke sind streng genommen eine spezielle Form der Scheibenmahlwerke. Anstatt zweier Scheiben kommen hier Kegel zum Einsatz, ein „positiver“ (der untere Teil, auch Mahl-Kegel genannt) und ein „negatives“ Gegenstück (der obere Teil, auch Mahl-Kragen genannt) (Abbildung 1.1 – Kegelmahlwerk). Die Kaffeebohnen werden über dem feststehenden Einfülltrichter und der drehenden Einzugsschnecke dem Mahlwerk und somit den Mahl-Schneiden zugeführt. Dabei verringert sich der Abstand zwischen den Flächen. (Abbildung 1.2 – Kegelmahlwerk, Einzelteile).

Dadurch, dass das Mahlgut (= Kaffeebohnen) nach unten hin abgeführt wird, muss jede Kaffeebohne die engste Stelle passieren, wodurch ein sehr gleichmäßiges Mahlbild entsteht. Da hier nicht nur die Fliehkraft, sondern auch die Schwerkraft eine Rolle spielen, kann das Kegelmahlwerk auch mit geringen Drehzahlen arbeiten. Der Mahlgrad lässt sich in den meisten Fällen durch Distanzscheiben oder Stellschrauben einstellen.

Antrieb

Der Antrieb des abgebildeten Kegelmahlwerks erfolgt über einen Getriebe-Elektromotor, dem ein einstufiges Planetenradgetriebe nachgeschaltet ist. In diesem Planetengetriebe überträgt der Getriebe-Elektromotor über das Sonnenrad die Bewegung zu den Planeten und diese rollen sich dann im feststehenden Hohlrad ab. Die Planetenräder sind mittels Lagerbolzen am Planetenträger (= Tragkörper) montiert, der das Drehmoment an den Mahlkegel überträgt (Abbildung 1.2 – Kegelmahlwerk, Einzelteile).

Technische Daten

Abgegebene Getriebe-Elektromotorleistung:

$P_{2\mathrm{M}} = 520\text{ W}$

Drehfrequenz des Elektromotors:

$n_1 = 4126\text{ min}^{-1}$

Übersetzungsverhältnis der integrierten Elektromotor-Getriebestufe:

$i_1 = 2{,}5: 1$

Wirkungsgrad des Getriebe-Elektromotors:

$\eta_1 = 98\,\%$

Wirkungsgrad Planetenradgetriebestufe:

$\eta_2 = 86\,\%$

Zähnezahlen Sonnenrad:

$z_{\mathrm{S}1} = 20$

Zähnezahlen Hohlrad:

$z_{\mathrm{H}1} = 90$

1.2

Die Antriebswelle des Planetenradgetriebes besteht aus einer Stahllegierung mit $\tau_{\text{tSch}} = 155\,\text{N/mm}^2$. Es ist anzunehmen, dass die Abtriebswelle nur auf Torsion beansprucht wird.

Dimensionieren Sie bei einer geforderten 3,5-fachen Sicherheit den Durchmesser der Antriebswelle.

Hinweise: Verwenden Sie als Wellenprofil eine Vollwelle. Wenn Sie das Planetenradgetriebe-Abtriebsdrehmoment $M_{2\text{G}}$ in Aufgabe 1.1 nicht ermittelt haben, ist mit $M_{2\text{G}} = 12\,\text{Nm}$ weiterzurechnen.

1.4

Im Mahlwerk kann es durch die unterschiedlichen Formen der Kaffeebohnen zum Verklemmen kommen. Für den Fall, dass der eingebaute, elektronische Motorschutzschalter defekt ist, wurde eine selbsttätig drehmomentschaltende Sicherheitskupplung zwischen Mahl-Kegel und Tragkörper eingebaut (Abbildung 1.2 – Kegelmahlwerk, Einzelteile – Schnittdarstellung).

Nennen Sie die verwendete Kupplung und erörtern Sie die Funktionsweise.