Kegel- und Kegelstumpfabwicklung

Grafische und rechnerische Lösung

Hinweise zum Drehen von Kegeln und Kegelstümpfen durch genaues Einstellen des Oberschlittens


KegelfotoWill man einem Kegel bzw. Kegelstumpf als Hohlkörper herstellen, ihn also aus Pappe oder Blech (hier Wiederverwendung eines Weißblechkanisters) biegen will, muss man die Oberfläche abwickeln, die dann aus dem Basismaterial ausgeschnitten werden muss. Die Konstruktion der Abwicklung kann man auf verschiedene Weisen vornehmen, bei geringer Genauigkeitsanforderung geht es (fast) rein grafisch, soll es genauer werden, dann muss man etwas rechnen.



1. Grundlegende mathematische Definitionen des Kegels bzw. Kegelstumpfs.
 

Kegelgrundprinzip
1.1 Die Grundgrößen


Ein Kegel ist in der Schnittzeichnung beschrieben durch den Hauptradius R und eine Linie, Mantellinie genannt, die zum Scheitelpunkt führt. Der Kegelstumpf wird in der Höhe durch den Nebenradius r begrenzt, der Abstand zwischen R und r ist die Höhe h und die (beim Stumpf virtuelle) Gesamthöhe H. Die Mantellinie m wird durch die beiden Radien aufgespannt. Die Mantellinie bzw. deren Verlängerung schneidet die Mittelachse mit dem Öffnungswinkel β.
Der Kegel(-stumpf) selbst entsteht durch die Drehung (Rotation) des Grundbilds um die Mittelachse M.
Man sieht, dass fünf Größen (R, r, h, m,
β) zusammenhängen, drei davon müssen vorgegeben werden, die beiden anderen sind dann festgelegt und müssen berechnet oder konstruiert werden.

Erweiterte Kegelgrößen
1.2 Weitere Eigenschaften


Es gibt noch drei wichtige Punkte: Den Scheitelpunkt S und die Endpunkte B und C der beiden Radien, die alle auf der Mantellinie liegen. Zieht man parallel zu M durch B und C die Hilfslinien b und c, dann sieht man, dass der Öffnungswinkel sich wiederholt, an C in derselben Lage und in B als Gegenwinkel. Im Vorgriff auf das Drehen (s. u.) sieht man schon hier, welcher Winkel am Oberschlitten einzustellen ist.
Hier wird immer vom regulären Kegelstumpf ausgegangen, die Radien R und r stehen senkrecht auf der Mittellinie, oder umgekehrt, die Mittellinie steht senkrecht auf den durch R und r durch Rotation aufgespannten Schnittebenen mit dem Kegel. Bilden diese Schnittebenen keinen rechten Winkel mit M, dann ergeben sich Ellipsen als Schnittlinien, die nicht trivial abgewickelt werden können. Hierzu wird keine Lösung angeboten.

2. Grafische Lösung oder besser Rechnen?
Man kann versuchen, die Abwicklung (bis auf eine Ausnahme) rein grafisch zu konstruieren. Ist der Kegel(-stumpf) klein und man kann auf A4 oder A3 im Maßstab 1:1 oder gar in Vergrößerung arbeiten, sollte das funktionieren. Aber auf alle Fälle gilt: Rechnen erhöht die Genauigkeit merklich!

Hinweis: in den folgenden Formeln steht x für die Rechnertaste Multiplikation.

3. Der Normalfall:
Gegeben sind die Höhe h und die beiden Radien R und r

Gesucht wird der Abstand des Scheitelpunkts S zu r, letztendlich die Gesamthöhe H des Kegels. In Bild 2 sieht man, dass durch die auf die Hilfslinie a projizierte Höhe h und (R - r) ein rechtwinkliges Dreieck besteht, das durch dieselben Winkel mathematisch ähnlich dem "großen" Dreieck aus den Linien H, R und der Strecke S-B ist, es gelten dieselben Längenverhältnisse. Damit gilt R / H = (R - r) / h oder umgestellt: H = h x R / (R - r).

H lässt sich also mit jedem Rechner ausrechnen.
Beispiel für R = 25 mm, r = 18 mm, und h = 70 mm:  70 x 25 / ( 25 - 18 ) = 250.  Die Höhe H auf der Mittellinie ist 250 mm.

Liegen andere Vorgaben vor, dann berechnet man zuerst wie unten unter 6. beschrieben die fehlenden Größen und kann dann wie mit dem Normalfall arbeiten.


4. Die Abwicklung
Abwicklung
Wie man sieht, ergeben sich die Radien durch Abstände: RA = S-B und rA = S-C. Mit diesen wird erst einmal je ein Bogen um S geschlagen. In der grafischen Konstruktion ist das unkompliziert.

Will man genauer sein und diese berechnen, dann muss man den Satz des Pythagoras a² + b² = c² anwenden, umgeformt auf c = Wurzel (a² + b²).

Dazu benötigt man einen technisch-wissenschaftlichen Rechner, weil auf einfachen Rechnern weder die Quadrat- noch die Wurzelfunktion verfügbar sind. Wenn kein entsprechender Rechner vorhanden ist, s. Kapitel 5.

Die Gesamthöhe H ist bereits berechnet. Den Radius RA berechnet man dann durch Tippen H x² + R x² = Wurzel, den kleineren rA durch ( H - h ) x² + r x² = Wurzel.

Mit obigen Zahlen aus dem Beispiel: 250² + 25²  => 62500 + 625 bzw. Tippen: 250 x² + 25 x² = Wurzel und heraus kommt 251,25 mm für den großen Radius RA. Der kleinere rA berechnet sich mit 250 - 70 = x² + 18 x² = Wurzel und ergibt 180,9 mm

Abschließend muss der Fächerwinkel ε berechnet werden. Die grafische Konstruktion ist leider nicht möglich, zumindest nicht trivial. Bei der Rotation um die Mittellinie beschreibt der Punkt B einen Kreis mit dem Umfang UR = 2 ¶ R. Die Außenseite des "Fächers" muss dieselbe Länge haben. Der volle Kreis mit 360° hat den Umfang UA = 2
¶ RA. Das Verhältnis UR / UA x 360° ergibt den gesuchten Winkel. Eingesetzt und gekürzt ergibt sich ε = 360 x R / RA

Wieder mit den Beispielwerten: 25 / 251,25 x 360 = 35,82°

Somit ist die Geometrie der Abwicklung bestimmt. Beim Zuschneiden darf man die blaue Lasche für den Überstand nicht vergessen, zum Verkleben, Verlöten oder welche andere Verbindungsart auch immer vorgezogen wird.

Der nur zum Drehen benötigte Winkel β berechnet sich mit β = arctan(R / H). Die Arcus-Tangens-Funktion findet sich auf der Rechnertastatur entweder bei INV TAN oder tan-1, bei dem erwähnten Windows-Rechner unter "Trigonometrie" 2nd als Taste tan-1. Tippen: R / H = tan-1. Beispiel: 25 / 250 = tan-1 ergibt 5,71°
5. Technisch-wissenschaftlicher Rechner

Falls keiner vorhanden: Für Android-Smartphones gibt es im App-Store eine schöne und ziemlich perfekte Freeware-App RealCalc.

Auf Windows startet man den Rechner durch Windows + R und tippt dann calc ein. Im Rechner muss durch Drücken auf die drei Linien oben links auf "Wissenschaftlich" umgeschaltet werden. Man kann gut mit dem numerischen Block der Tastatur arbeiten. Die Winkelfunktionen stehen unter "Trigonometrie" zur Verfügung.

6. Andere Vorgaben
Kegelvorgaben
Es werden fehlende Größen ermittelt, um damit in die Konstruktion bzw. Berechnung nach Kapitel 3 bzw. 4 oben einzusteigen.


6.a   Gegeben sind die Länge der Mantellinie m und die beiden Radien R und r

Gesucht: h. Durch die Hilfslinie a und (R - r) wird mit der Mantellinie m ein rechtwinkliges Dreieck definiert, in dem der Satz des Pythagoras a² + b² = c² gilt, hier mit a = (R - r) und c = m, h ist gesucht. Das führt zu (R - r)² + h² = m². Aufgelöst nach h gilt h = Wurzel (m² - ( R - r)²).  Beispiel mit R = 25, r = 22, m = 80, tippen:  80 - ( 25 - 22 ) = Wurzel = 79.94... Jetzt ist h bekannt und die weitere Berechnung erfolgt wie oben unter 3.1 beschrieben. Das Ergebnis für H ist dann 666,17 mm, also ein sehr schlanker Kegelstumpf. Wie man das zeichnet oder anreißt, s. u.

6.b   Gegeben sind der Öffnungswinkel β , r und die Höhe h

Vorbemerkung: Dieser und die folgenden Punkte sind typische Situationen für eine Manschette um einen vorhandenen Konus. Die Winkelmessung sollte auf Zehntelgrade genau erfolgen!


Gesucht: R R = r + h x tan β.


6.c   Gegeben sind der Öffnungswinkel β , R und die Höhe h

Gesucht: r. r =  R - h x tan β.


6.d   Gegeben sind der Öffnungswinkel β , r und die Mantellinie m

Gesucht: R und h. h = m x cos β und R = r + m x sin β


6.e   Gegeben sind der Öffnungswinkel β , R und die Mantellinie m

Gesucht: r und h
. h
= m x cos β und r = R - m x sin β


7. Anreißen der Endpunkte der Kreisbögen

Anreißen Kreispunkte
Bei kleinen Kegeln kann man den Fächerwinkel
ε noch mit einem Winkelmesser anreißen, bei größeren wird das ungenau. Hier bietet das Anreißen mit der Konstruktion von Punkten auf den Kreisbögen eine wesentlich höhere Genauigkeit.

Zuerst werden die beiden Kreisbögen mit RA und rA angerissen.

Dann kann man entweder die Mittellinie als Referenz nehmen, Methode 1, oder eine der Kanten, Methode 2.
Die gerade Ausgangslinie ist immer eine Linie durch S.

Links sind die Ausgangslinien schwarz und die durch die konstruierten Punkte aufgespannten Linien grün eingezeichnet.

Methode 1:
Rk wird berechnet mit Rk = 2 x RA x sin (
ε / 4) und
rk = 2 x rA x
sin (ε / 4)

Methode 2:
Rp wird berechnet mit Rp = 2 x RA x sin (
ε / 2) und
rp = 2 x rA x
sin (ε / 2)

Achtung: Die Lasche muss noch zugegeben werden. Ggf. auch noch ein kleiner Zuschlag für die Blechdicke.

Beispiel mit den obigen Werten RA = 251,25, rA = 180,9 und ε = 35,82°. Tippen
für Rk: 2 x 251.25 x (35.82 / 4) sin = 78.2 mm
für rk: 2 x 180.9 x (35.82 / 4) sin = 56.3 mm



Epislon größer 90°Die zuvor genannten Formeln sind mathematisch korrekt, es gibt aber Winkelbereiche von ε, in denen die mit Rk oder Rp geschlagenen Kreisbögen den entsprechenden Bogen mit RA nur schleifend schneiden, also eine genaue Ermittlung des Schnittpunkts nicht erlauben.

Das gilt für die Situationen, in denen Rk oder Rp Werte in der Nähe des Kreisdurchmessers kommen. Es geschieht für Methode 1, wenn
ε in die Nähe von 360° kommt, für Methode 2 gilt das für Bereiche um 180°, was im linken Bild angedeutet ist.

Hier empfiehlt
es sich, zuerst einmal mit RA 90° von ε abzutragen und die Differenz
ε' = ( ε - 90°) zu berechnen und damit Rp ermitteln.

Für
ε > 180° drehen sich bei Methode 2 die Richtungen um, wie im rechten Bild gezeigt. Muss im Bereich 180° < ε < 270° auch hier zuerst einmal mit RA ein Hilfspunkt angerissen werden, dann berechnet man ε' = 360° - 90° - ε . 

8. Große Radien zeichnen bzw. anreißen

Hilfszirkel
Hier zwei Beispiele, wie man Hilfszirkel für große Radien herstellt bzw. benutzt.

Oben eine Leiste, in der links eine kleine Kerbe eingefeilt wurde, in der eine Näh- oder Stopfnadel eingeklemmt ist.

Die Schieber auf dem Markierungslineal haben je ein Loch, in das Nadel und Zeichen- oder Anreißwerkzeug eingesteckt werden können.

9. Prototyp erstellen

Aufriss
Hat man die Abwicklung konstruiert, so empfiehlt es sich, einen Prototypen aus Papier oder
Zeichenkarton anzufertigen, wie hier dargestellt. Die Klebelasche ist hier unten. Mit diesem Prototypen kann man leicht prüfen, ob der Kegel(-stumpf) die richtigen Form erhält.

Der mit einem Japanmesser ausgeschnittene Bogen wurde dann auch zum Anreißen auf dem Blech benutzt.


10. Genaues Einstellen des Oberschlittens zum Drehen eines Konus


Einstellwerkzeug

Das Einstellwerkzeug besteht aus zwei Teilen, die aus 10 mm Alu-L-Profil hergestellt sind.

Oben links der Träger für den Nonius, der mit einem Magnetschnäpper an der Planschlittenseite angebracht wird, unten die Gradskala mit einer Befestigung, die an den Fuß des Oberschlittens angeklemmt wird.

Die Skala kann kein voller Halbkreis sein, weil der Kreismittelpunkt im Drehpunkt des Oberschlittens liegen muss. Der Abstand Drehpunkt zur Linie K entspricht der halben Breite des Oberschlittenfußes + 1mm, der Wandstärke des L-Profils.

Für den Zusammenbau der Skala muss der Oberschlitten zuerst genau parallel zur Achse der Drehmaschine eingestellt werden. Dazu dreht man mit dem Oberschlitten einen Zylinder und misst die Durchmesser an beiden Enden. Besteht eine Differenz, dann muss der Oberschlitten nachgerichtet werden und der Zylinder wird erneut durch leichtes Nachstellen des Planschlittens gedreht und wieder gemessen. Es kann einige Versuche kosten, bis die exakte parallele Stellung gefunden ist. Dann stellt man die Anklemmung aus dem L-Profil her und kann den Abstand der Linie K vom Drehpunkt nochmal ausmessen. Die Schräubchen sind M3.

Die Herstellung der Skala: Die Skala als Bilddatei kann hier heruntergeladen werden. Die Datei kann man in ein Text-Dokument (Word, Libreoffice, ...) oder eine Bildverarbeitung laden, um sie dort auf die passende Größe skalieren und ausdrucken zu können. Die Skala besteht aus einem dünnen Alu-Blech, auf das vor dem endgültigen Zuschneiden zuerst einmal die ausgedruckte und grob zurechtgeschnittene Skala aufgeklebt und nach dem Trocknen mit einer transparenten Selbstklebefolie abgedeckt wurde. Die Größe richtet sich nach den Platzverhältnissen der Maschine, wie man unten sieht, wird zum Einstellen der Planschlitten weit nach hinten gefahren. Je größer der Radius der Skala gehalten werden kann, um so höher ist die Einstellgenauigkeit.

Jetzt wird die Klemmvorrichtung angefertigt, die auf den Fuß des Oberschlittens aufgesteckt wird. Der Abstand der Linie K zum Drehpunkt kann jetzt ausgemessen werden, die Skala wird entsprechend ausgeschnitten und an die Klemme geschraubt. Abschließend wird der Kreis der Skala beschnitten.

WinkelmesserManchmal, eher selten, findet man Winkelmesser aus Metall (Aluminium) im Geschäften für Bürobedarf.

Das wäre auch eine brauchbare Skala, allerdings stehen die Zahlen auf dem Kopf und die Befestigung an der Klemmvorrichtung müsste anders ausgeführt werden. Und die Größe des Radius muss passen.
EinstellwerkzeugMontage1Hier ist gezeigt, wie der Noniusträger an den Planschlitten angebracht ist. Beim Aufsetzen darauf achten, dass keine Späne eingeklemmt werden!

Der Nonius wird bei der Herstellung erst ganz zum Schluss, als letzter Schritt aufgeklebt.
Einstellwerkzeug 2Hier ist die Skala jetzt aufgesteckt.

Bei der Herstellung wird der Nonius ganz zum Schluss auf den Träger aufgeklebt und es muss darauf geachtet werden, dass der Mittelstrich exakt auf der Mittellinie der Skala liegt. Eine Pinzette kann dabei sehr hilfreich sein! Jeder Teilstrich des Nonius stellt 0,2° (= 12 Winkelminuten) dar.

Der Oberschlitten kann jetzt sehr genau auf den gewünschtem Gradwert eingestellt und auch wieder auf Null zurückgedreht werden.

Zum Drehen des Konus wird diese Einstellhilfe natürlich herausgenommen.

Ist der Oberschlitten nur schwer drehbar, dann kann ein kleine Schraubzwinge, angeklemmt am oberen Schlittenteil, eine merkbare Hebelverlängerung darstellen, mit der der Winkel dann fein eingestellt werden kann.

Beim Drehen der Oberschlittens sollte sich der Kreisbogen über dem Nonius nicht viel in radialer Richtung bewegen, weil das Ungenauigkeiten mit sich bringt. Stellt man solche Bewegungen fest, dann sitzt die Linie K nicht richtig und die Befestigung der Skala auf der Klemmvorrichtung muss nachgearbeitet werden.


Konus gefasst
Hier sieht man den eingangs gezeigten Blechkonus eingebaut, wobei der Hauptradius unten einen innenliegenden außen konischen Ring (h = 5 mm) zum Festschrauben am Träger hat. Der Abschlussring oben hat
innen eine konische Ausdrehung (h = 5 mm).

Wer wissen will, was das ist: Ein älterer Fönkamm wurde ausgeschlachtet und zu einem sanften Heizgebläse umgebaut, dessen Temperatur zwischen 50 °C und 105 °C einstellbar ist. Es dient zum Beheizen von Klebungen mit UHU-plus, was bei erhöhter Temperatur wesentlich schneller abbindet (bei 100 °C in 10 min) und dazu noch eine wesentlich höhere Klebekraft als bei Zimmertemperatur entwickelt. Der Konus beherbergt das Heizelement des Fönkamms, darunter liegt der Motor mit dem Gebläse.

Weil hier mit Netzspannung gearbeitet wird und ein Nachbau voraussetzt, dass man weiß, was man tut, gibt es keine Bauanleitung dafür. Nur soviel: Im Originalgerät dient die Heizwicklung als Vorwiderstand für den Gleichstrommotor des Gebläses, der mit nur ca. 6 V betrieben wird. Diese Kopplung wurde getrennt, die Heizwicklung wird mit einer Phasenanschnittsteuerung direkt mit Netzstrom versorgt, der Motorversorgung übernimmt ein externes kleines schaltbares Steckernetzteil, um die Drehzahl des Gebläses steuern zu können. Bei ca. 105 °C schaltet ein Thermostat im Heizkörper ab. Das Thermostat lässt sich (leider) nicht überbrücken, ohne den vernieteten Heizkörper komplett zu zerlegen
. Das war mir zu risikoreich, die Glimmerträger könnten zerbrechen. Nur durch die Überbrückung ließen sich noch höhere Temperaturen zu erzielen.

Der Form halber: Die Angaben, insbesondere der Formeln, erfolgen ohne Gewähr, sollten aber stimmen.


Version: 1.4 Copyright: Rolf Süßbrich, Dortmund, 28.07.2020