Fluidtechnische Aktoren

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SS 2012
Fluidtechnische Aktoren
Signalfluss in der Proportionalhydraulik
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1
Fluidtechnische Aktoren
1
Physikalische Grundlagen
Einführung
2
Fluidtechnische Einrichtungen
3
Pneumatik Aktoren
4
Hydraulik Aktoren
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2
1
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Markt & Trends
Fluidtechnik (Pneumatik & Hydraulik)
Umsatzvolumen (2009):
4,0 Mrd. Euro (Damit ging der Umsatz im Vergleich
zu 2007 (6,3 Mrd.) drastisch nach unten)
Exportvolumen (2009):
3,4 Mrd. Euro (71%)
Beschäftigte:
32.000 Personen
Pneumatik
30%
(innerhalb von 10 Jahren um
mehr als 23% gestiegen bis 2007)
Hydraulik
70%
Deutschland hat einen Welthandelsanteil
von 33%.
Quelle: Fachverband Fluidtechnik im VDMA
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Position deutscher
Anbieter im Weltmarkt
Mittelfeld
Weltmarktführer
12%
20%
22%
46%
Obers Segment
Top Five
Von den deutschen Fluidtechnik-Unternehmen sehen sich 12 %
als Weltmarktführer, fast die Hälfte (47%) unter den Ersten 5.
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2
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Fluidtechnische Aktoren
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Physikalische Grundlagen
Einführung
2
Fluidtechnische Einrichtungen
3
Pneumatik Aktoren
4
Hydraulik Aktoren
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Fluidtechnische Aktoren Signalfluss
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Fluidtechnische Aktoren Fluide
Die fluidtechnischen Aktoren übertragen genau wie die elektromagnetischen Aktoren Kraft und Leistung zum Antreiben, Steuern
und Bewegen für die Mechanisierung und die Automatisierung. In
der Hydraulik (altgriechisch: hydor = Wasser) verwendet man Öl
als Druckmedium, in manchen Bereichen auch Wasser. In der
Pneumatik (altgriechisch: pneuma = Atem) wird Luft als Druckmedium eingesetzt. In der Fördertechnik kommen auch andere
Flüssigkeiten und Gase zum Einsatz.
Die verschiedenen Medien werden unter dem Begriff
Fluid zusammengefasst.
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Fluidtechnische Aktoren
Leistungsfluss in fluidischen Anlagen
Im Gegensatz zu elektrischen Aktoren, für die die elektrische Energie direkt
aus dem Netz bezogen werden kann, muss man fluidische Energie in Form
eines Fluids bereitstellen, das unter einem bestimmten Druck steht. Dazu
werden Pumpen verwendet, die mit Elektromotoren oder Verbrennungsmotoren angetrieben werden.
Die zugeführte Leistung Pzu = U • I bzw. Pzu = B • H (Heizwert H, Brennstoffstrom B) wird an der Motorwelle in Form von mechanischer Leistung
P1 = M1 • ω1 an die Pumpe weitergeleitet. Das von der Pumpe geförderte
Fluid transportiert Leistung Pf = Q • ∆p (Volumenstrom Q, Druck der Flüssigkeit gegenüber dem Rücklauf ∆p), die über Ventile gesteuert werden kann,
an die fluidischen Antriebe, die an der Kolbenstange mechanische Leistung in
Form einer Linearbewegung P21 = F • v oder an der Welle in einer Drehbewegung P22 = M2 • ω2 abgeben.
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Energiefluss in
fluidischen Antrieben
Ph = Q • ∆p
P1 =M1 • ω1
Pzu =I • U
Pumpe
Ventil
Elektromotor
Arbeitsmaschine
Verbrennungs
motor
Antrieb
Pzu =B • H
P22 =M2 • ω2
Elektromechanisch
mechanischfluidisch
fluidischfluidisch
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fluidischmechanisch
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Fluidtechnische Aktoren Hydraulikkreislauf
(Beispiel)
Rückschlagventil
Druckbegrenzungsventil
Hydrospeicher
Drehmotor
4/3-Wegeventil
M
Pumpe
Schubmotor
Antrieb
Motor
Reservoir
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Krafterzeugung
Energiewandler
Überdruckstellantrieb
Pneumatik
Unterdruckstellantrieb
Hydraulik
Überdruckstellantrieb
Technische Ausführung
Stellzylinder
Membranantrieb
Druckluftmotor*)
Membranantrieb
Stellzylinder
Hydromotor*)
Fluidtechnische Aktoren
Symbole und Normen in
der Pneumatik und der
Hydraulik
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Symbole und Normen in der
Pneumatik und der Hydraulik
Wie auch in anderen Bereichen (z. B. in der Elektrotechnik) gibt es in
der Fluidtechnik einheitliche Formate für die Darstellung von Bauteilen.
Die verwendeten Symbole müssen die nachfolgenden Eigenschaften
erkennbar machen:
Art der Betätigung
Anzahl der Anschlüsse und deren Bezeichnung
Funktionsprinzip
Anzahl der Schaltstellungen
vereinfachte Darstellung des Druckflussweges
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Symbole und Normen in der
Pneumatik und der Hydraulik
Druckventile
Wegeventile
Anzahl der Rechtecke = Anzahl der
Schaltstellungen
Druckbegrenzungsventil
2/2-Wegeventil
2 Schaltstellungen
2 Anschlüsse
Druckregelventil
3/2-Wegeventil
2 Schaltstellungen
3 Anschlüsse
4/2-Wegeventil
2 Schaltstellungen
4 Anschlüsse
4/3-Wegeventil
3 Schaltstellungen
4 Anschlüsse
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Sperrventile
Rückschlag-ventil
Drosselrückschlagventil
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Symbole und Normen in der
Pneumatik und der Hydraulik
Symbol
Benennung
Symbol
Stromventil
Benennung
Ventilbetätigung
Drosselventil
mit Druckknopf
Belüfteter Behälter,
Tank
Speicher
mit Tastrolle
mit Pedal
mit Feder
mit Taster
durch Elektromagnet
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Symbole und Normen in der Pneumatik
und der Hydraulik
Symbol
Benennung
Symbol
Pumpen und Motoren
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Benennung
Zylinder
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Fluidtechnische Aktoren
Steuerung von
fluidtechnischen
Aktoren
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Fluidtechnische Aktoren
Steuerung von Fluidtechnischen Aktoren
Die Steuerung von fluidischen Aktoren erfolgt grundsätzlich durch
Ventile oder durch das Verändern des Fördervolumens.
Steuerung über Ventile
Energetisch ungünstiger, da durch Druckabfall am Ventil
Energieverluste entstehen können.
schnelles Verfahren
Steuerung über die Volumenstromänderung
Energetisch gut;
Regelung eher langsam, da die Volumenänderung über
Pumpen und Motoren erfolgt.
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Fluidtechnische Aktoren
Steuerung von Fluidtechnischen Aktoren
Die Ventile werden eingeteilt nach der Beeinflussung der fluidischen
Leistung P = Q • p (Volumenstrom • Druck) in
Stromventile Beeinflussung des Volumenstroms (Q)
Druckventile Beeinflussung des Druckes (p).
Druckventile
zur Druckbegrenzung (Sicherheitsventile) und
andererseits zur Druckabsenkung (vom Druckfluss unabhängig)
(sog. Druckreduzierungsventile).
Stromventile
Über Stromventile wird der Strömungswiderstand verändert ( z. B.
Schiebeventile).
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Fluidtechnische Aktoren
Druckventile
p
p
Steuerschieber
Fläche
A
Steuerschieber
Fläche
A
p1
Tank (Hydraulik)
Umwelt (Pneumatik)
Druckreduzierungsventil
Druckbegrenzungsventil
Bei steigendem Druck (p) wird der Schieber
entgegen der Federkraft nach unten beFederkraft legt Druck fest!
wegt.
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Federkraft wird durch den Druck p1 • A erhöht,
damit legt die Federkraft die Differenz p und p1
fest. (Vergleich: Zehnerdiode)
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Wegeventile als Energiesteller
Wegeventile sind die Energiesteller der fluidtechnischen Aktoren. Mit ihnen
werden die Wege des Luft- oder Ölstromes beeinflusst. Das Schaltsymbol gibt
Aufschluss über, die Zahl der Anschlüsse, der betr. Schaltstellung und der
Betätigungsart. Es besagt jedoch nichts über den konstruktiven Aufbau,
sondern gibt lediglich die Funktion wieder.
Konstruktive Aufbauten von Wegeventilen
Sitzventile (Bei Sitzventilen werden die Wege mittels Kugeln, Teller,
Platten oder Kegel geöffnet oder geschlossen.)
Kugelsitzventil
Tellersitzventil
Schiebeventile
Längsschiebeventil (Kolbenventil)
Längs-Flachschiebeventil
Plattenschiebeventil
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Wegeventile als Energiesteller
Beispiel Kugelsitz- & Schieberventil (Hydraulik)
R
R
A
A
(Arbeitsanschluss)
P
P
(Zufluss)
Abb.: 5/2-Wegeventil,
Längsschieberprinzip
Abb.: 3/2-Wegeventil,
Sperr-Ruhestellung
3 Anschlüsse und 2 Schaltstellungen
(Signale: Setzen und Rücksetzen).
5 Anschlüsse und 2 Schaltstellungen
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Anschluss- & Kurzbezeichnungen für
Wegeventile (5/2 Wegeventil)
2
4
14
a
12
b
5 1
3
5 2 Wegeventil 6 V 7
Anzahl der
Anschlüsse
Anzahl der
Schaltstellungen
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Schaltkreisnummern
Bauteilkennzeichnung
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Bauteilnummer
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Wegeventile als Energiesteller
Beispiel Schaltsymbol (Hydraulik)
1
A2 B
3
P
Die Anschlüsse der Wegeventile werden
bei hydraulischen Systemen durch
Buchstaben gekennzeichnet
BuchstabenKennzeichnung
Öffnung oder
Anschluss
P
Druckanschluss/ Zufluss
5/3-Wegeventil
5 Anschlüsse
3 Schaltstellungen
1. Zahl = Anzahl der gesteuerten
Anschlüsse
2. Zahl = Anzahl der Schaltstellungen
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A, B, C
Arbeitsleitung
R, S, T
Entlüftungsleitung/
Abfluss
X, Y, Z
Steueranschlüsse
Arbeits- und Steuerleitungen
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Beispiele
(Pneumatik)
5/2 & 3/2-Standardansteuerungen
5/2-Standardansteuerung,
elektromagnetische Ansteuerung
für doppelwirkende Zylinder
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3/2-Standardansteuerung, handbetätigt
mit Federrückstellung für einfach
wirkender Zylinder
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Schaltbeispiel
In der Abbildung ist ein Schaltplan dargestellt, in dem der doppelt wirkende Zylinder 1A1
von dem 3/2-Wegeventil 1S1 angesteuert wird. Nach Betätigung von 1S1 schaltet das
Impulsventil 1V1 in die Stellung 2, wodurch der Zylinder ausfährt. In seiner Endlage
betätigt er das 3/2-Wegeventil 1S2 (Endschalter). Dieses schaltet das Ventil 1V1 wieder
in die Stellung 1 und der Zylinder fährt wieder ein.
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Wegeventile als Energiesteller
Schalt-, Proportional- und Servoventile
1. Schaltventile
Schaltventile haben keine Zwischenpositionen, sondern nur fest definierte Stellungen, die
überwiegend durch Anschläge realisiert werden. An diesen Ventilantrieben werden keine
großen Anforderungen gestellt.
2. Proportionalventile
Die Ventilverstellung bei Proportionalventilen wird über Elektromagnete realisiert. Hierbei ist
die Magnetkraft proportional zum Steuerstrom. Aufgrund von Klemmkräften durch den Magneten und durch die Strömungskräfte bedingt, weisen diese Ventile geringe Genauigkeiten
und Dynamik auf (Eckfrequenz bis 20 Hz). Höhere Eckfrequenzen bis 100 Hz können über
Positionsregelungen für die Schieberstellung erreicht werden.
3. Servoventile
Die Servoventile besitzen dagegen eine Verstärkerstufe, die eine höhere Leistungsverstärkung und eine höhere Dynamik (Eckfrequenz > 100 Hz) bieten. In diesen Ventilantrieben wird eine Lagerregelung des Ventilschiebers eingesetzt, wobei sowohl mechanische
als auch elektrische Lagerrückführungen Verwendung finden.
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Wegeventile als Energiesteller
Proportionalventil
I
P=0
Elektromagnet
P0
Proportionalventil ohne
Positionsregelung
Proportionalventil mit Positionsregelung und integrierter Elektronik
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Mechanisch-hydraulische Wandler
als Steuerelemente in einem Servoventil
Prallplattenauslenkung
durch TorqueMotor/Tauchspule
Steuerschieber
di
ymax
p
•
V
Strahlrohr
= 0,25...0,5 mm
= +/-60...+/-75 mm
= ...350 bar
= 0,3...2,5 1/min
Schieberauslenkung durch
Proportionalmagnet
d
ymax
p
•
V
= 4...12 mm
= +/-1...+/-4 mm
= ...350 bar
= 5...200 1/min
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Strahlauslenkung durch
Torque-Motor
di
ymax
p
Düsen-Prallplatte
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•
V
= 0,12...0,2 mm
= +/- 0,47 mm
= ...210 bar
= 0,1...2,5 1/min
28
14
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Eigenschaften
fluidtechnischer Aktoren
Vorteile
Nachteile
große Stellkräfte
(zusätzliche) Hilfsenergieerzeuger notwendig
große Stellbereiche
komplexe Systemstrukturen
erforderlich
anspruchsvolle Automatisierung
hohe Leistungsdichte
zum Teil teure Servokomponenten (z.B.
Ventile)
direkte Erzeugung linearer Bewegung
eingeschränkte Positioniergenauigkeit
kein Energieumsatz im statischen
Betrieb
Geräuschbildung
robuster Aufbau
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Fluidtechnische Aktoren
1
Physikalische Grundlagen
Einführung
2
Fluidtechnische Einrichtungen
3
Pneumatik Aktoren
4
Hydraulik Aktoren
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30
15
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Pneumatische Aktoren
Werden besondere Eigenschaften für die Pneumatik
gegenüber der Hydraulik oder der Elektrik gesucht, so
können in erster Linie die Eigenschaften
hohe Geschwindigkeiten,
hohe Zuverlässigkeit,
gute Sauberkeit
und
günstiges Kosten/Nutzen-Verhältnis
hervor gehoben werden.
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Anwendungsgebiete und -Bereiche
Pneumatische Aktoren werden bevorzugt
verwendet ....
... bei Anforderungen von mittleren bis großen
Stellkräften;
... bei mittleren und großen Stellbereichen
... in explosionsgefährdeten Bereichen
... bei hohen hygienischen Anforderungen
... bei hohen Verfahrgeschwindigkeiten
Haupteinsatzgebiete:
Lebensmittelindustrie
Verpackungsmaschinen
Bergbau etc.
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32
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Eigenschaften
pneumatischer Antriebe
Im Prinzip sind die Elemente in pneumatischen Antrieben die gleichen
wie in der Hydraulik. Aufgrund des anderen Mediums ergeben sich aber
andere Eigenschaften. Die Kompressibilität des Fluids ist um den Faktor
104 größer und die Zähigkeit um etliche Zehnerpotenzen geringer.
In der Pneumatik wird unterschieden:
Höchstdruckpneumatik
p > 10 bar (bis 100 bar)
Hochdruckpneumatik
p = 2 ... 10 bar
Normaldruckpneumatik
p = 0.2 ... 2 bar
Niederdruckpneumatik
p = 0.01 ... 1 bar
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33
Druckluft als Arbeitsmedium
Beim Einsatz von Druckluft sind wichtige
physikalische Eigenschaften zu berücksichtigen:
Dichte (druck- und temperaturabhängig)
Kompressibilität
Viskosität
Feuchte der Luft
Druckverluste
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34
17
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Druckluft als Arbeitsmedium
Dichte
Die Dichte (ρ) ist abhängig vom Druck und von der Temperatur:
Zustandsgleichung für Gase:
Norm-Atmosphäre:
p ⋅V = m ⋅ R ⋅ T
m
V
p
ρ=
R ⋅T
ρ=
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Für die Norm-Atmosphäre werden nach DIN
5450 die nachfolgenden Werte zugrunde
gelegt:
Luftdruck
pa = 1,01325 bar
Luftdichte
ρa = 1,225 kg/m3
Lufttemperatur
Ta = 20°C = 293 K
mit:
p: = Druck
V: = Volumen
m: = Masse
R: = massebezogene Gaskonstante
T: = Temperatur
ρ: = Dichte
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35
Druckluft als Arbeitsmedium
Kompressibilität
Die Kompressibilität (Verdichtung, Komprimierung) verringert das Volumen und erhöht die Dichte eines Stoffes.
Es wird von einem kompressiblen Stoff gesprochen, wenn
die Druckveränderungen merkliche Dichteänderungen hervorrufen (wie z. B. bei Gasen).
Kompressibilität hat, bezogen auf Luft zwei Auswirkungen:
ein abgeschlossenes Luftvolumen ist elastisch
ein unter Druck gebrachtes Luftvolumen speichert
Energie.
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Druckluft als Arbeitsmedium
Die Viskosität ist eine Stoffeigenschaft, die auf
die innere Reibung der Moleküle zurückzuführen
ist. Sie ist ein Maß für die Zähflüssigkeit eines
Fluids. Je größer die Viskosität, desto dickflüssiger ist das Fluid; je niedriger, desto dünnflüssiger ist es.
Die Viskosität von Flüssigkeiten ist in der Regel
stark abhängig von der Temperatur. Steigt die
Temperatur nimmt die Viskosität sehr stark ab.
Im Gegensatz hierzu ändert sich die Viskosität
von Luft mit steigender Temperatur nur geringfügig, sie nimmt sogar bei höheren Temperaturen zu.
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Viskosität
Viskosität
Öl
Luft
Temperatur
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Druckluft als Arbeitsmedium
Viskosität
Vorteil und Nachteile einer geringen Viskosität
Vorteile:
- geringe Reibungsverluste
- hohe Strömungsgeschwindigkeiten ohne
großen Druckverlust
Nachteile: - hohe Leckverluste bei kleineren Undichtigkeiten, niedrige viskose Dämpfungskräfte
(System neigt zu Schwingungen).
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38
19
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Druckluft als Arbeitsmedium
qm Sättigungsmenge
Feuchte
U = 100% = qm
U = 70%
U = 50%
Bei Anwendung von Druckluftaktoren spielt
die Feuchte der Luft eine entscheidende Rolle.
Die Aufnahmefähigkeit der mit Wasserdampf
gesättigten Luft in Abhängigkeit von der Temperatur kann wie in der Tabelle 1 gezeigt,
wiedergegeben werden.
Ferner ist die Definition der absoluten Luftfeuchtigkeit a wichtig:
abs. Luftfeuchtigkeit a:
rel. Luftfeuchtigkeit U: U =
Temperatur
Temperatur [°C]
-10
0
10
20
30
50
70
90
Sättigungsmenge
qm [g/m3]
2,1
4,9
9,5
17
30
83
198
424
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a=
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Wasserdampfmenge
m3
a
U
1
⋅ 100 % ⇒
≈
qm
a
qm
39
Druckluft als Arbeitsmedium
Feuchte
Wichtige Zusammenhänge
Bei konst. abs. Luftfeuchtigkeit steigt bei abnehmender
Temperatur die rel. Feuchtigkeit, bis es zur Kondensation
kommt.
1 qm verdichtete Luft kann nur soviel Wasserdampf aufnehmen, wie 1 qm atmosphärische Luft; d. h. Sättigungsmenge qm ist weitgehend druckunabhängig.
Bei der Verdichtung wird das Volumen V kleiner, a und/bzw.
U werden größer bis qm bzw. U = 100% erreicht wird; bei
weiterer Verdichtung Kondensat.
Bei der Verdichtung von Luft unter realen Bedingungen wird
immer Kondensat anfallen.
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40
20
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Fluidtechnische Aktoren
Druckluftmotoren
Fluidtechnische Motoren wandeln hydraulische
oder pneumatische Energie in mechanische
Energie um!
Es werden unterschieden:
Rotationsmotoren
Translationsmotoren
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41
Druckluftmotoren
Eigenschaften
große Drehzahlauswahl;
Drehrichtung einfach veränderbar;
Wartungsaufwand gering;
Überlast stellt kein Problem dar;
kleine Bauweise ⇨ geringes Gewicht;
Stufenlose Regelung von Drehzahl und Drehmoment.
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21
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Druckluftmotoren
Aufbau und Funktion
Druckluftmotoren werden in Form von Lamellen-, Zahnrad-, Kolben-,
und Turbinenmotoren hergestellt.
Die am häufigsten eingesetzten Druckluftmotoren sind die Lamellenmotoren!
Kolbenmotor
Lamellenmotor
Zahnradmotor
Turbinenmotor
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43
Charakteristik
eines Druckluftmotors
Kompakt und leicht
(Platzbedarf ca. 1:6, bei der Masse 1:4)
Drehmoment steigt mit der Last
Ausgangsleistung stufenlos einstellbar
(Drehmoment über den Betriebsdruck und Drehzahl
über Luftzufuhr veränderbar.)
Ohne Schaden überlastbar
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Charakteristik
eines Druckluftmotors
Ideal für explosionsgefährdete Räume
Leichte Laufrichtungsänderung
Der Druckluftmotor ist einer der robustesten
Robust
und vielseitigsten Antriebe, die dem Anwender heute zur Verfügung stehen. Er lässt sich
über einen weiten Drehzahlbereich regeln
und bringt sein größtes Drehmoment dann,
wenn es am meisten benötigt wird:
Beim Anlauf !
Einfacher Einbau
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45
Turbinenmotor
Der Turbinenmotor bietet sehr hohe Drehzahlen von z. B.
100.000 U/min oder auch weit darüber.
Anwendungen bei Innenschleifspindeln und Bohreinheiten
für Bohrungen im Durchmesserbereich um 1 mm.
Zu früheren Zeiten sehr häufig in der Dentalmedizin bis zu
Drehzahlen 150.000 U/min.
Aktorik, SS 2011
Aktorik: Fluidtechnische Aktoren
Leistungsbereich:
0,01 bis 18 kW
max. Drehzahl:
500.000 U/min
spez. Luftverbrauch:
30 bis 60 l/kJ
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46
23
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SS 2012
Kolbenmotor
Die Leistung von Kolbenmotoren ist abhängig:
vom Eingangsdruck
von der Anzahl der Kolben
von der Kolbenfläche
von der Hub- und Kolbengeschwindigkeit
Leistungsbereich:
max. Drehzahl:
spez. Luftverbrauch:
Arbeitsräume/ Umdr.:
Aktorik, SS 2011
1,5 bis 30 kW
6000 U/min
15 bis 23 l/kJ
4 bis 6
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47
Zahnradmotor
Der Zahnradmotor wird überwiegend
im Bereich der Schwerindustrie und
im Bergbau eingesetzt.
Leistungsbereich:
bis zu 44 kW
max. Drehzahl:
15.000 U/min
spez. Luftverbrauch:
30 bis 50 l/kJ
Arbeitsräume/Umdr.:
10 bis 25
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Aktorik: Fluidtechnische Aktoren
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48
24
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SS 2012
Lamellenmotor
Der Lamellenmotor hat ein günstiges Leistungsgewicht
(kg/kW) und ist für Drehzahlen von 30.000 U/min und
mehr geeignet.
Bei Lastschwankungen reagiert der Motor mit relativ
großen Drehzahlschwankungen. Dies kommt durch die
Kompressibilität der Luft.
Auslass
Anschluss
gegen
den
Uhrzeigersinn
Anschluss
im
Uhrzeigersinn
Aktorik, SS 2011
Leistungsbereich:
max. Drehzahl:
spez. Luftverbrauch:
Arbeitsräume/ Umdr.:
0,1 bis 18 kW
30.000 U/min
25 bis 50 l/kJ
2 bis 10
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49
Aufbau und Funktion
Ein genuteter Rotor dreht sich exzentrisch in einem von Zylinder und
Zylinder-Endplatten gebildeten Kammer.
Da der Rotor exzentrisch angeordnet und sein Durchmesser kleiner
ist als der des Zylinders entsteht eine halbmondförmige Kammer.
Die in den Rotornuten frei beweglichen Lamellen teilen die Zylinderkammer in verschieden große Arbeitsräume.
Aufgrund der Fliehkraft und durch Druckluft unterstützt, werden die
Lamellen gegen die Zylinderwandung gepresst und dichten die einzelnen
Arbeitsräume ab.
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Aktorik: Fluidtechnische Aktoren
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50
25
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SS 2012
Aufbau und Funktion
3
Der Grundaufbau eines
Lamellenmotors besteht aus
nur wenigen Komponenten.
3
3
3
3
2
Aktorik, SS 2011
Prof. A. Büngers
1.
2.
3.
4.
5.
Zylinderscheibe
Rotor
Lamelle
Zylinder
Zylinderscheibe
4
Quelle: Atlas-Copco
51
Aufbau und Funktion
Funktionsprinzip eines Druckluftlamellenmotors
Umsteuerbare Motoren
haben drei Anschlüsse
Quelle: Atlas-Copco
Aktorik, SS 2011
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52
26
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SS 2012
Aufbau und Funktion
Druckluft strömt durch die Einlasskammer a in den Motor. Die Lamelle 2 dichtet
die zwischen sich und Lamelle 3 liegende Kammer b ab. Der Druck in Kammer b
entspricht immer noch dem Einlassdruck. Er wirkt auf Lamelle 3 und zwingt sie
in eine Rechtsdrehung.
Die Lamellen haben sich weiter gedreht und der Expansionsprozess in Kammer b
hat eingesetzt. Der Druck wird dabei vermindert, aber es steht immer noch eine
Nettokraft an, die den Rotor vorwärts bewegt, da die Fläche von Lamelle 3
größer ist als die Fläche von Lamelle 2 in der Kammer b. Außerdem wirkt der
Einlassdruck auf Lamelle 2 in der Einlasskammer a.
Die Lamellen haben sich weiterbewegt. Kammer b wird jetzt über den Auslass
entlüftet. Der Druck ist gering und die verbleibende Kraft, die den Rotor vorwärts treibt, kommt von den auf die Lamellen 1 und 2 wirkenden Kräften.
Ein relativ einfaches Prinzip, bei dem die Druckenergie von Kammer zu Kammer
in eine Drehbewegung des Rotors umgesetzt wird.
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53
Anzahl der Lamellen in Motoren
für unterschiedliche Anwendungen
Ein Qualitätsmerkmal ist die Anzahl der Lamellen im Rotor, die von 3 bis 10 betragen
kann. Allgemein gilt, dass eine niedrige Lamellenzahl zwar geringere Reibungsverluste
mit sich bringt, dafür aber ein unsicheres Startverhalten hat. Eine höhere Lamellenzahl
sichert ein gutes Startverhalten bei niedriger innerer Leckage, steigert jedoch die
Reibung.
Anzahl der Lamellen in Motoren für unterschiedliche Anwendungen
Quelle: Atlas-Copco
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54
27
Prof. A. Büngers
SS 2012
Leistung eines
Druckluft - Motors
Die Leistung eines Druckluftmotors hängt vom Fließdruck ab. Bei einem konstanten Einlassdruck weisen
ungeregelte Druckluftmotoren das charakteristische,
linear verlaufende Drehmoment/Drehzahlverhältnis auf.
Durch einfache Regelung der zugeführten Luft, sei es
durch Drosselung oder Druckregelung, lässt sich die
Leistung eines Druckluftmotors relativ einfach ändern.
Aktorik, SS 2011
55
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Leistungskurve & Arbeitspunkt
Leistungskurve
Drehmoment
[Nm]
Leistung
[kW]
Luftverbrauch (l/s)
Arbeitspunkt
Drehmoment
[Nm]
Leistung
max.
Leistung
Nennmoment
Der Schnittpunkt der Drehmomentund der Drehzahlkurve ist der
Arbeitspunkt.
Luftverbrauch
DrehMoment
Drehzahl (U/min)
Drehzahl (U/min)
Quelle: Atlas-Copco
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Aktorik: Fluidtechnische Aktoren
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56
28
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SS 2012
Luftverbrauch & Anlassmoment
Luftverbrauch
Anlaufmoment
Anfahrmoment
[Nm]
Der Luftverbrauch wird in l/s angegeben. Die Luftverbrauchsangaben
beziehen sich auf den Fließüberdruck
von 6,3 bar und meinen das Luftvolumen im entspannten (atmosphärischen) Zustand. Das gilt für
alle Pneumatikkomponenten.
Min. Anfahrmoment
Winkel
Das Anfahrmoment ist
abhängig von der
Lamellenposition Quelle: Atlas-Copco
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57
Prof. A. Büngers
Methode zur
Änderung der Motorleistung
Luftdrosseln und Druckregler sind zwei typische
Regelmethoden zur Veränderung der Motorleistung.
Welche Methode angewandt wird, hängt von der
Anwendung ab.
Drehmoment
[Nm]
Quelle: Atlas-Copco
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Aktorik: Fluidtechnische Aktoren
Drosselung
Drehmoment
[%]
Druckregelung
Drehzahl 100%
Drehzahl (U/min)
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58
29
Prof. A. Büngers
SS 2012
Leistungsangaben in Katalogen
Die in Motorenkatalogen von
z. B. Atlas Copco angegebenen
Leistungsdaten gelten bei Betriebsdrücken von 6,3 bar.
Die Motordaten gehen aus
den jeweils beigestellten Diagrammen hervor.
Drehmoment
[Nm]
Luftverbrauch (l/s)
Leistung
Leistung
[kW]
max.
Leistung
Nennmoment
[Nm]
Luftverbrauch
DrehMoment
Drehzahl (U/min)
Quelle: Atlas-Copco
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59
Wahl des passenden Motors
Unterschiedliche Arbeitpunkt-Bereiche
Für die Auswahl des für eine bestimmte Applikation passenden Druckluftmotors
ist es wichtig zu prüfen, ob die Drehzahl oder das Drehmoment die höhere
Priorität hat.
Drehmoment [Nm]
Lebensdauer
hohes Anfahrmoment
niedriger Luftverbrauch
hohe Getriebeabnutzung
niedrige Lamellenabnutzung
Die Lebensdauer eines Druckluftmotors ist abhängig
von verschiedenen Faktoren.
Der Arbeitszyklus ist eine Mischung aus Leerlauf, Laufen
idealer Betriebsbereich
durchschnittliche Abnutzung
der meisten Teile
bei max. Leistung und Laufen bis zum Abwürgen. Die
Lebensdauer für geölte Lamellen beträgt ca. 4000 Std.
kleines Anfahrmoment
hoher Luftdruck
niedrige Beanspruchung der
Getriebe
hohe Lamellenabnutzung
und für ölfreie Lamellen gut 1000 Std.. Für Getriebe und
andere Motorteile beträgt die Lebensdauer 5000 Std..
Eine längere Lebensdauer erreicht man durch den
Einsatz von größeren Motoren.
Durch die Reduzierung des Arbeitsdrucks wird der Motor
entsprechend der geforderten Leistung angepasst.
Drehzahl (U/min)
Quelle: Atlas-Copco
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Aktorik: Fluidtechnische Aktoren
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60
30
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SS 2012
Fluidtechnische Aktoren
Pneumatikzylinder
Ein Pneumatikzylinder erzeugt eine lineare Bewegung, die als
Plus- oder Minus-Hub bezeichnet wird.
Der Pneumatikzylinder wandelt Druckluftenergie direkt in
mechanische Arbeit um.
Die Zylinder werden allgemein in drei Gruppen aufgeteilt:
Einfach wirkende Pneumatikzylinder
Doppelt (Zweifach) wirkende Pneumatikzylinder
Sonderzylinder (Sonderbauformen)
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61
Einfach wirkende Pneumatikzylinder
Kolben
Gehäuse
Rückholfeder
Luftzufuhr
Kolbendichtung
Einfach wirkender Pneumatikzylinder
FBeschl.
Anwendung finden einfach wirkende Pneumatikzylinder dort, wo lediglich eine Hubrichtungs-Arbeit verrichtet wird. In Abhängigkeit der Hubrichtung wird die entsprechende Kolbenseite mit Druckluft
beaufschlagt.
Das Zurückführen in die Ausgangsposition
wird in Form einer Rückstellfeder realisiert.
Ak
pa
FLast
FReibung
Symbol
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Aktorik: Fluidtechnische Aktoren
pS
FFeder.
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Zweifach wirkende Pneumatikzylinder
9
8
2
4
1
1 = Zylinderrohr,
2 = Bodendeckel,
3 = Lagerdeckel,
4 = Kolbenstange,
5 = Nutring,
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5
3
7
6
6 = Lagerbuchse
7 = Abstreifring
8 = Doppeltopfmanschette
9 = O-Ring
Zweifach wirkende Pneumatikzylinder
wirken in zwei Hubrichtungen. Sie
besitzen an beiden Kolbenseiten
Druckluftanschlüsse.
Die Hublängen sind wahlfrei, können
jedoch nicht beliebig lang ausgeführt
werden.
In der Regel liegt der maximale Hub,
abhängig vom Zylinderdurchmesser, bei
ca. 3 m.
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63
Sonderbauformen (1)
Trotz vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von einfach- und zweifach wirkenden Zylinder in der Automatisierungstechnik, gibt es eine Vielzahl von
Problemstellungen, die Sonderzylinder verlangen.
Die nachfolgende Auflistung gibt einen Überblick über Sonderzylinder:
Membranzylinder
Einfach wirkender Zylinder für kurze Hübe;
sie besitzen keine beweglichen Dichtungen
Anwendungen z. B. bei Spannvorrichtungen
Rollmembranzylinder
Einfach wirkender Zylinder für kurze Hübe;
sie besitzen ebenfalls keine beweglichen
Dichtungen
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32
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SS 2012
Sonderbauformen (1)
Tandemzylinder
Zylinder mit hohen Kräften; bei gleichem
Kolbendurchmesser annähernd
Verdopplung der Kraft
Dämpfungskolben
Zylinder mit Enddämpfung
Zylinder über 200 mm Hub sollten eine
Dämpfung besitzen.
Druckhammer
Verwendung für oszillierende Schlagbewegungen auf ein Werkzeug z. B. für
Gesteinsarbeiten
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Sonderbauformen (2)
Schlagzylinder
Verwendung in Pressen, Stanzen,
Schmieden und Vorrichtungen zum Nieten
Zahnstangenzylinder & Drehzylinder
Anwendungsbeispiele für diese Art von
Zylinder sind: Wenden von Werkstücken,
Biegevorrichtungen, Betätigen von Stellorganen u. a. für begrenzte Drehbewegungen.
Symbol
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SS 2012
Sonderbauformen (3)
Pneumatischer Muskel
Der Pneumatische Muskel ist ein Kontraktionssystem, der sich bei Innerdruck zusammenzieht. Durch den Druck wird in einer Gitterstruktur in Umfangrichtung verformt und erzeugt eine Zugkraft in Achsenrichtung.
Anwendungen:
Hebeeinrichtungen, Verstelleinrichtungen Zugelemente u. a.
Lieferbar sind diese Bauteile bis zu einer Länge
von 30 m.
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67
Pneumatischer Aktoren
Vorteile
Vorteile
Druckluft in unbegrenzter Menge verfügbar;
Speicherung pneumatischer Energie in geeigneten Behälter möglich;
Einfache Verteilung der Druckenergie über Rohrleitungen
(geringe Zähigkeit);
Druckluft ist günstig, (nahezu) überall verfügbar und umweltfreundlich;
hohe Arbeitsgeschwindigkeiten realisierbar
Pneumatische Aktoren können schadenfrei bis zum Stillstand belastet
werden;
Einsatz in explosionsgefährdeter Umgebung möglich.
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Aktorik: Fluidtechnische Aktoren
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34
Prof. A. Büngers
SS 2012
Pneumatischer Aktoren
Nachteile
Nachteile
Zusätzliche Energieumwandlung führt zu höheren Verlusten und
zusätzlichen Investitionskosten;
Zum Teil stark nichtlineares Verhalten durch Ventilsteuerung;
Da die Druckluft kompressibel ist sind pneumatische Stellantriebe
„weich“, es können Lasten nur unter Zuhilfenahme entsprechender Regelungen dauerhaft gehalten werden; hohe Kompressibilität, d.h. geringe Laststeifigkeit;
Wirkungsgrad bei pneumatischer Leistungsübertragung niedrig
Bei geölten Verbraucher ist der Aspekt der Umweltfreundlichkeit
hinfällig;
Lärm, durch ausströmende Luft.
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69
Fluidtechnische Aktoren
1
Physikalische Grundlagen
Einführung
2
Fluidtechnische Einrichtungen
3
Pneumatik Aktoren
4
Hydraulik Aktoren
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Aktorik: Fluidtechnische Aktoren
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35
Prof. A. Büngers
SS 2012
Hydraulische Aktoren
Die meisten hydraulischen Energiewandler arbeiten nach dem hydrostatischen Prinzip. Eine Druckbilanz in einem hydraulischen System
entscheidet über einen hydrodynamischen (Kraftentstehung: Masse X
Beschleunigung) oder einem hydrostatischen (Kraftentstehung: Kraft X
Fläche) Betrieb.
Druckbilanz:
ρhydr = pstat + pdyn = p 0 +
ρ
2
v2
V = Strömungsgeschwindigkeit
ρ = Dichte
Im Fall, dass der statische Druck p0 überwiegt, wird von einem
hydrostatischen Antrieb gesprochen.
Überwiegt der dynamische Druckanteil ρ/2 • v2, spricht man vom
hydrodynamischen Betrieb.
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71
Eigenschaften
hydraulischer Aktoren
Druckbereich:
Niederdruck:
6 .... 100 bar
Hochdruck:
100 ... 700 bar (und darüber)
Im hydrodynamischen Bereich wird mit einem Druck von p = 0,1 ... 4 bar
gearbeitet.
Die Einheit bar konnte nicht durch die SI-Einheit N/m2 = Pa verdrängt werden; es gilt die Umrechnung
1bar = 105 N/m2 = 0,1 Mpa.
Strömungsgeschwindigkeiten:
v bis ca. 2 m/s in Ausnahmefällen bis 12 m/s bei hydrostatischen Antrieben
(ρ/2 • v2 << pstat.)
v bis 50 m/s bei hydrodynamischen Antrieben
Leistung:
P = Q (Volumenstrom) • ∆p (Druckdifferenz) (Mechanik: Pmech = F • v)
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Aktorik: Fluidtechnische Aktoren
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72
36
Prof. A. Büngers
SS 2012
Hydraulische Aktoren
Anwendungsfelder (hydrostatisch)
Werkzeugmaschinen (lineare & rotatorische Bewegung)
Schleifmaschinen
Honmaschinen
Räummaschinen
Pressen
Weitere Anwendungsbereiche sind:
Fördertechnik
Fahrzeugtechnik
Landmaschinen
Baumaschinen
Luft- und Raumfahrt
Hydrostatische Antriebe bestehen im wesentlichen aus:
Hydraulikpumpe
Hydraulikflüssigkeit
Hydromotor oder Hydrozylinder
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(Energiewandler)
(Energieträger)
(Energiewandler)
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73
Eigenschaften
hydraulischer Aktoren
Kraftdichte
Aufgrund der hohen Drücke lassen sich große Kräfte bei kleinen Baugrößen
erzeugen.
Beispiel (1): Ein Hydraulikzylinder mit der Querfläche von 1 cm2
(Bleistiftdicke) kann bei einem Druck von 500 bar 0,5 Tonnen heben.
Beispiel (2): Eine Hydraulikpumpe mit einem Fördervolumen von 1.600
l/min und einem Drehmoment von 6.360 Nm hat die Leistung von 1 MW.
Die Baugröße beträgt 0,9m X 1,0m x 0,7m (H x B x T) und die Masse
beträgt ca. 1000 kg. Damit ergibt sich ein Leistungsgewicht von 1kW/kg.
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Aktorik: Fluidtechnische Aktoren
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74
37
Prof. A. Büngers
SS 2012
Aufgaben der Hydraulikflüssigkeit
Übertragung der hydraulischen Leistung von der Pumpe zum
Hydraulikmotor bzw. Hydraulikzylinder;
Schmierung der beweglichen Teile, wie z. B. Kolben-,
Schiebergleitflächen, Lager usw.;
Korrosionsschutz der benetzten Metalloberflächen;
Abführen von Verunreinigungen, Abrieb, Wasser, Luft u. a.;
Abführen von Verlustwärme, entstanden durch Leck- und
Reibungsverluste;
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75
Steifigkeit und
Leistungsverstärkung
Steifigkeit
Hydrauliköl hat eine geringere Kompressibilität. Die Volumenverringerung
beträgt etwa 0,5 ... 0,7% je 100 bar Druckerhöhung. Dies führt dazu, dass der
Kolben bei Lastkraftwirkung nur geringfügig nachgibt, womit eine hohe
„Steifigkeit“ erreicht wird.
Die Steifigkeit kann durch die Veränderung der Querschnittsfläche des Zylinders an die Erfordernisse des Antriebs angepasst werden.
Beispiel: Eine Ölsäule von 1m Länge verkürzt sich um 0,7 mm bei ∆p = 10 bar.
Leistungsverstärkung von Hydraulikventilen
Beispiel: Mit einer elektrischen Steuerleistung von 3 W steuert z.B. ein Ventil der Fa.
Rexroth ca. 350 kW hydraulische Leistung (Druckfluss • Druck), was zu einer Leistungsverstärkung von mehr als 105 entspricht.
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Aktorik: Fluidtechnische Aktoren
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76
38
Prof. A. Büngers
SS 2012
Größenvergleich zwischen
elektrischen & hydraulischen Motoren
Gleichstrommotor
Drehstrommotor
Hydraulikmotor
Masse
5
4
1
Einbaugröße
6
6
1
Die jeweiligen Motoren besitzen die gleiche Leistung!
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77
Pumpen und Drehantriebe
Wie bei elektrischen Maschinen gleicher Bauform, die Umwandlung elektrischer in mechanische Energie (Drehmotor) bzw. mechanische Energie in elektrische Energie (Generator)
möglich ist, so sind fluidische Maschinen gleicher Bauform als Drehmotor und Generator
(Pumpen) verwendbar. Bei Pumpen wird ein Fluidstrom mittels eines Drehmomentes an der
Welle gegen den Pumpendruck durch die Pumpe gefördert, während bei Drehmotoren der
anliegende Druck einen Fluidstrom durch den Motor bewirkt, der eine Drehung der Welle
hervorruft.
Fluidische Verdrängungsmaschinen werden in zwei Gruppen aufgeteilt:
•Drehkolbenmaschinen
•Hubkolbenmaschinen
Die verschiedenen Bauformen unterscheiden sich in ihrem Fördervolumen. Es wird durch
das geometrische Volumen V angegeben, das sich bei einer Umdrehung der Welle ergibt.
Weitere Merkmale sind der Druckbereich ( Nenndruck PN, der Drehzahlbereich, der Wirkungsgrad und die Geräuschemission (Lp in dB (A)).
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Aktorik: Fluidtechnische Aktoren
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39
Prof. A. Büngers
SS 2012
Zahnradpumpe/-motor
Die nachfolgend vorgestellten Bauformen gelten für Hydraulik Pumpen. Die Erläuterungen treffen jedoch auch
für die Motoren zu, es ist lediglich das Wirkprinzip umzukehren.
Die Flüssigkeit wird bei einer Zahnradpumpe in den
Zahnlücken zweier kämmenden Zahnräder von der
Saugseite zur Druckseite gefördert. Der theoretische
Volumenstrom Qth ergibt sich nach der Formel:
Q th = π ⋅ m ⋅ z ⋅ b ⋅ c ⋅ n
mit:
Außenzahnradpumpe
Aktorik, SS 2011
m
z
m•z
b
c
n
= Modul
= Zähne
= Teilkreisdurchmesser
= Radbreite
= Kopfhöhe
= Drehzahl
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Flügelzellenpumpe/-Motor
Bei einer Flügelzellenpumpe sind in einem Zylinder am Umfang rechteckige
Flügel (Zellenwände) radial beweglich angeordnet. Durch die Drehbewegung des Rotors dichten die Zellenwände zur Gehäusewand ab. Es bildet
sich eine Saug- und eine Druckseite. Durch Verstellen der Rotor-Exzentrizität e kann der Förderstrom beeinflusst werden.
Gehäusewand
Rotor Motorseite
Saugseite
Pumpenseite
Saugseite
Druckseite
Druckseite
Flügelzellenpumpe und –getriebe mit geschlossenem Kreislauf
Aktorik, SS 2011
Aktorik: Fluidtechnische Aktoren
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80
40
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SS 2012
Radialkolbenpumpe/-Motor
Radialkolbenpumpe
außen beaufschlagt
Radialkolbenpumpe
innen beaufschlagt
Charakteristische Merkmale des Radialkolbenmotors:
hohes Anfahrmoment,
kein stick-slip-Verhalten bei kleinen Drehzahlen,
geeignet für hohe Drücke und Drehzahlen,
geringe Reibungsverluste und hoher Wirkungsgrad,
relativ unempfindlich gegen Verschmutzung und sehr hohe Lebensdauer.
Aktorik, SS 2011
81
Prof. A. Büngers
Axialkolbenmaschinen (1)
Axialkolbenmaschinen sind Hubkolbenmaschinen, bei denen die Kolben parallel zur Drehachse
angeordnet sind. Sie werden unterschieden dadurch, welche Teile gegenüber der drehenden
Welle abgewinkelt sind, und welche Teile sich mit der Welle drehen.
fest
Taumelscheibenmaschine
Bei der Taumelscheibenmaschine dreht sich die Taumelscheibe mit der Welle,
während die Kolben in einem feststehenden Gehäuse untergebracht sind.
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Aktorik: Fluidtechnische Aktoren
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82
41
Prof. A. Büngers
SS 2012
Axialkolbenmaschinen (2)
Schrägachsenmaschine
fest
Hier ist das feststehende Gehäuse, in dem die Trommel mit dem Kolben rotiert,
gegenüber der Antriebswelle abgewinkelt.
Aktorik, SS 2011
Prof. A. Büngers
83
Axialkolbenmaschinen (3)
Schrägscheibenmaschine
fest
Die Kolben drehen sich, ähnlich wie bei einem Trommelrevolver, mit der Welle
mit, während sie sich an der feststehenden Schrägscheibe abstützen.
Aktorik, SS 2011
Aktorik: Fluidtechnische Aktoren
Prof. A. Büngers
84
42
Prof. A. Büngers
SS 2012
Linearantrieb
(Translationsmotor)
Hydraulische Linearantriebe werden einfach- und doppelwirkend aufgebaut.
Bei den einfachwirkenden Zylinder erfolgt das Ausfahren hydraulisch, während
äußere Kräfte (Gewichtskraft, Federkraft, Gegenzylinder) das Einfahren bewirken.
Einfachwirkender
Zylinder
Doppeltwirkender
Zylinder
Druckanschluss A
Aktorik, SS 2011
Druckanschluss B
Prof. A. Büngers
85
Vorteile & Nachteile
hydraulischer Antriebe
Vorteile
Nachteile
Zusätzliche Energieumwandlung führt zu
Hohe Energiedichte
Einfache Erzeugung hoher Kräfte/Momente
höheren Verlusten und zusätzlichen In-
bei geringer Geschwindigkeit (Getriebe nicht
vestitionskosten;
Zum Teil stark nichtlineares Verhalten durch
notwendig);
Ventilsteuerung;
Hohe Steifigkeit wegen der geringen Kom-
Verschmutzung durch Öl bei undichten
pressibilität und der Möglichkeit die Bauform
Leitungssystemen;
anzupassen;
Temperaturunabhängigkeit des Verhaltens;
Geringe Kühlprobleme, da das Öl die Wärme
Hoher Wartungsaufwand.
abführt.
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Aktorik: Fluidtechnische Aktoren
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43
Prof. A. Büngers
SS 2012
Gegenüberstellung
der Fluide Luft und Öl
Quelle: G. Schenke, Mechatronik
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87
Vergleich hydraulischer
und pneumatischer Aktoren
Aktorik, SS 2011
Aktorik: Fluidtechnische Aktoren
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88
44
Prof. A. Büngers
SS 2012
Ende: Fluidtechnische Aktoren
„Diejenigen, die sich für die Praxis ohne Theorie
begeistern, sind wie Seeleute, die ohne Steuer oder
Kompass ein Schiff besteigen und nie ganz sicher
sind, wohin sie fahren.
Stets muss die Praxis auf guter Theorie beruhen.“
Leonardo da Vinci
Aktorik, SS 2011
Aktorik: Fluidtechnische Aktoren
Prof. A. Büngers
89
45