Sensorik & Aktorik Wahlpflichtfach Studienrichtung Antriebe & Automation

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1 Sensorik & Aktorik Wahlpflichtfach Studienrichtung Antriebe & Automation - Hydraulik & Pneumatik - Prof. Dr. Ulrich Hahn SS 2010

2 Übertragung von Flüssigkeiten: Hydraulik Hydraulik und Pneumatik Kräften Drehmomenten Energie (Information) durch Fluide Gase (Luft): Pneumatik Anwendungsbeispiele Hydraulik Baumaschinen (Bagger, Kipper...) Fahrzeugtechnik (Bremsen, Servos...) Hebebühnen Produktionsanlagen Anwendungsbeispiele Pneumatik Antriebe (Presslufthammer, Schrauber...) Fahrzeugtechnik (Bremsen, Servos...) Hebebühnen Hydraulik 2

3 Vor- und Nachteile von Hydraulik Bewirken großer Kräfte/Drehmomente mit kleinen Aktoren stufenlose Geschwindigkeitsänderung, leichte Richtungsänderung Anfahren unter Volllast Änderung der Übersetzung unter Volllast (Getriebe) geringe Massen geringe Trägheit (rotierende Hydromotoren) einfacher Überlastschutz einfache Umwandlung Translation Rotation hohe Anschaffungskosten (Präzisionsteile) Anforderungen an Hydraulikflüssigkeiten (Lecks, Umwelt) kleine Übertragungsentfernungen (Viskosität der Hydraulikflüss.) kleiner Wirkungsgrad gegenüber direkten mechan. Antrieben Schlupf keine exakte Positionierung Rückfluss- und Leckleitungen erforderlich Hydraulik 3

4 Vor- und Nachteile von Pneumatik Energiespeicherung möglich (Kompressibilität von Luft) größere Übertragungsentfernungen keine Rückfluss- und Leckleitungen geringere Drücke gegenüber Hydraulik (Unfallschutz) keine gleichförmige Bewegung bei veränderlichen Lasten Kompressibilität Geräusche der ausströmenden Luft Hydraulik 4

5 Vergleich energieübertragender Systeme Hydraulik 5

6 Beispiel einer hydraulischen Anlage geschlossener Flüssigkeitskreislauf ("Stromkreis") Energiezufuhr Druckdifferenz Vorlauf - Rücklauf Energietransport: strömendes Fluid Energieabfuhr (Hydromotor, Hydraulikzylinder) Schaltbild der Hydraulikanlage Hydraulik 6

7 Beispiel einer hydraulischen Anlage Betriebsparameter Hydraulik 7

8 3/2 Wegeventil Steuerung eines Hydraulikzylinders 3/3 Wegeventil 1. Endposition Druckbegrenzung spricht an Pumpenenergie Drossel 2. zurück durch Federkraft, Rückfluss in Behälter 1. Endposition Druckbegrenzung spricht an 2. Halten: Zylinder abgekoppelt vom Kreislauf 3. zurück durch Schwerkraft, Rückfluss in Behälter Hydraulik 8

9 4/3 Wegeventil Steuerung eines Hydraulikzylinders 4/3 Wegeventil 1. Kolben rechts 2. Haltestellung 3. Kolben links 1. Kolben rechts 2. "Schwimmstellung": Kolben kann von außen bewegt werden 3. Kolben links Hydraulik 9

10 Anforderungen: Hydraulikflüssigkeiten geringe Kompressibilität gute Schmierfähigkeit Viskositäts- und Druckverhalten gute Benetzung gegeneinander beweglicher Teile angemessene Viskosität, geringe Temperaturabhängigkeit hohe Wärmekapazität Aufnahme von Wärmeverlusten Alterungsbeständigkeit schwer entflammbar keine chemischen Reaktionen mit anderen Bauteilen Stock- und Pourtemperatur niedrig (Verfestigung des Öls) gutes Luftabscheidevermögen umwelt- und wasserverträglich, ungiftig Hydraulik 10

11 Hydraulikflüssigkeiten Hydraulik 11

12 Hydraulikflüssigkeiten dynamische Viskosität: Schubspannung/Strömungsgeschwindigkeitsgradient η: = d τ v x x, y dy kinematische Viskosität: ν := η ρ Vergleich Wasser: ν = 1 mm²/s Viskositätsindex: "0" η stark temperaturabhängig "100" η schwach temperaturabhängig Hydraulik 12

13 Hydraulikflüssigkeiten Kompressibilität κ dp = V d : 0 V V 0 κ: 1...3,5GN/m² Rückwirkung auf die Stellgenauigkeit hohe Genauigkeit: p klein => Zylinderquerschnitt groß Luft in Hydraulikflüssigkeiten gelöste Luft freie Luft (Blasen), bewirkt durch "Ausfällen" gelöster Luft bei Druckabfall (Lastwechsel) V Luft p = α α: % p 0 Hydraulik 13

14 Hydropumpen erzeugen den Druck im Hochdruckteil des Hydrauliksystems Antrieb: Elektromotoren Verbrennungsmotoren hohe Drücke, kleine Volumenströme Verdrängerpumpen Kolbenpumpen: V& = n Vverdr. = n A Kolben Hub V& l < 5 s Förderverluste Reibungsverluste interner Leckstrom durch Undichtigkeiten, Fluid bleibt in der Pumpe etxerner Leckstrom, Fluid verlässt Pumpe unvollständige Füllung (Blasen, Kavitation) Kompressionsverlust Viskosität, Reibung Kolben-Zylinder hydraulisch-mechanischer Wirkungsgrad Hydraulik 14

15 Hydropumpen Umlaufverdränger, meist Zahnradpumpen geringe Druck- und Volumenstromschwankungen Hydraulik 15

16 Hydropumpen Hydraulik 16

17 Flügelzellenpumpe Hydropumpen Exzentrizität der Flügelzellen Verdrängungsvolumen Widerlager mit Feder Druck Hydraulik 17

18 Hydropumpen Axialkolbenpumpen Schrägachsenpumpe Schrägscsheibenpumpe Rotation des Antriebsmotors Translation der Kolben Hub regelbar durch Winkel der Achse Hydraulik 18

19 Hydropumpen Kennlinien Axialkolbenpumpe Hydraulik 19

20 Radialkolbenpumpen Hydropumpen 1 Gehäuse 2 Welle 3 Zylinderführung 4 Ventilplatte, (4.1) Saugventil 5 Druckventil 6 Kolben 7 Zylinder 8 Feder 9 Arbeitsraum 10 Saugraum Rotation des Antriebsmotors Translation der Kolben durch Exzentrizität der Welle Hydraulik 20

21 Hydromotoren Rotationsbewegung Hydraulik 21

22 Hydromotoren Translationsbewegung: Hydraulikzylinder Hydraulik 22

23 Anwendung Hydraulikzylinder Hydraulik 23

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