Fluidtechnische Aktoren

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1 Fluidtechnische Aktoren Signalfluss in der Proportionalhydraulik Jede Weitergabe dieser Folien über die Vorlesung hinaus ist ohne Zustimmung des Autors nicht gestattet. 1 Fluidtechnische Aktoren 1 Physikalische Einführung Grundlagen 2 Fluidtechnische Einrichtungen 3 Pneumatik Aktoren 4 Hydraulik Aktoren 2 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 1

2 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: Personen (innerhalb von 10 Jahren um mehr als 23% gestiegen bis 2007) Pneumatik 30% Deutschland hat einen Welthandelsanteil von 33%. Hydraulik 70% Quelle: Fachverband Fluidtechnik im VDMA 3 Position deutscher Anbieter im Weltmarkt Mittelfeld 20% Weltmarktführer 12% 22% Obers Segment 46% Top Five Von den deutschen Fluidtechnik-Unternehmen sehen sich 12 % als Weltmarktführer, fast die Hälfte (47%) unter den Ersten 5. 4 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 2

3 Fluidtechnische Aktoren 1 Physikalische Einführung Grundlagen 2 Fluidtechnische Einrichtungen 3 Pneumatik Aktoren 4 Hydraulik Aktoren 5 Fluidtechnische Aktoren Signalfluss 6 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 3

4 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. 7 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 P zu = U Ibzw. P zu = B H(Heizwert H, Brennstoffstrom B) wird an der Motorwelle in Form von mechanischer Leistung P 1 = M 1 ω 1 an die Pumpe weitergeleitet. Das von der Pumpe geförderte Fluid transportiert Leistung P f = 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 P 21 = F voder an der Welle in einer Drehbewegung P 22 = M 2 ω 2 abgeben. 8 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 4

5 Energiefluss in fluidischen Antrieben P 1 =M 1 ω 1 P h = Q p P zu =I U Pumpe Ventil Verbrennungs motor P zu =B H Antrieb P 22 =M 2 ω 2 9 Fluidtechnische Aktoren Hydraulikkreislauf (Beispiel) Rückschlagventil Elektromechanisch mechanischfluidisch fluidischfluidisch fluidischmechanisch Elektromotor Arbeitsmaschine Druckbegrenzungsventil Hydrospeicher Drehmotor M Motor Pumpe 4/3-Wegeventil Antrieb Schubmotor Reservoir 10 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 5

6 Krafterzeugung Energiewandler Technische Ausführung Pneumatik Hydraulik Überdruckstellantrieb Unterdruckstellantrieb Stellzylinder Membranantrieb Druckluftmotor *) Membranantrieb Überdruckstellantrieb Stellzylinder Hydromotor *) Fluidtechnische Aktoren Symbole und Normen in der Pneumatik und der Hydraulik 11 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 12 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 6

7 Symbole und Normen in der Pneumatik und der Hydraulik Wegeventile Anzahl der Rechtecke = Anzahl der Schaltstellungen 2/2-Wegeventil 2 Schaltstellungen 2 Anschlüsse 3/2-Wegeventil 2 Schaltstellungen 3 Anschlüsse 4/2-Wegeventil 2 Schaltstellungen 4 Anschlüsse 4/3-Wegeventil 3 Schaltstellungen 4 Anschlüsse Druckventile Sperrventile Druckbegrenzungsventil Druckregelventil Rückschlag- -ventil Drosselrückschlagventil 13 Symbole und Normen in der Pneumatik und der Hydraulik Symbol Benennung Symbol Benennung Stromventil Drosselventil Ventilbetätigung mit Druckknopf Belüfteter Behälter, Tank Speicher mit Tastrolle mit Pedal mit Feder mit Taster durch Elektromagnet 14 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 7

8 Symbole und Normen in der Pneumatik und der Hydraulik Symbol Benennung Symbol Benennung Pumpen und Motoren Zylinder 15 Fluidtechnische Aktoren Steuerung von fluidtechnischen Aktoren 16 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 8

9 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. 17 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). 18 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 9

10 Fluidtechnische Aktoren Druckventile p p Steuerschieber Fläche A Steuerschieber Fläche A p 1 Tank (Hydraulik) Umwelt (Pneumatik) Druckbegrenzungsventil Bei steigendem Druck (p) wird der Schieber entgegen der Federkraft nach unten bewegt. Federkraft legt Druck fest! Druckreduzierungsventil Federkraft wird durch den Druck p 1 A erhöht, damit legt die Federkraft die Differenz p und p 1 fest. (Vergleich: Zehnerdiode) 19 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 20 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 10

11 Wegeventile als Energiesteller Beispiel Kugelsitz-& Schieberventil (Hydraulik) R R A A (Arbeitsanschluss) P P (Zufluss) Abb.: 3/2-Wegeventil, Sperr-Ruhestellung 3 Anschlüsse und 2 Schaltstellungen (Signale: Setzenund Rücksetzen). Abb.: 5/2-Wegeventil, Längsschieberprinzip 5 Anschlüsse und 2 Schaltstellungen 21 Anschluss-& Kurzbezeichnungen für Wegeventile (5/2 Wegeventil) a b Wegeventil 6 V 7 Anzahl der Anschlüsse Anzahl der Schaltstellungen Schaltkreisnummern Bauteilkennzeichnung Bauteilnummer 22 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 11

12 Wegeventile als Energiesteller Beispiel Schaltsymbol (Hydraulik) 1 A 2 B 3 P 5/3-Wegeventil 5 Anschlüsse 3 Schaltstellungen 1. Zahl = Anzahl der gesteuerten Anschlüsse 2. Zahl = Anzahl der Schaltstellungen Die Anschlüsse der Wegeventile werden bei hydraulischen Systemen durch Buchstaben gekennzeichnet Buchstaben- Kennzeichnung P Öffnung oder Anschluss Druckanschluss/ Zufluss A, B, C Arbeitsleitung R, S, T Entlüftungsleitung/ Abfluss X, Y, Z Steueranschlüsse Arbeits- und Steuerleitungen 23 Beispiele (Pneumatik) 5/2 & 3/2-Standardansteuerungen 5/2-Standardansteuerung, elektromagnetische Ansteuerung für doppelwirkende Zylinder 3/2-Standardansteuerung, handbetätigt mit Federrückstellung für einfach wirkender Zylinder 24 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 12

13 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. 25 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. 26 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 13

14 Wegeventile als Energiesteller Proportionalventil I P = 0 P 0 Elektromagnet Proportionalventil ohne Positionsregelung Proportionalventil mit Positionsregelung und integrierter Elektronik 27 Mechanisch-hydraulische Wandler als Steuerelemente in einem Servoventil Steuerschieber Prallplattenauslenkung durch Torque- Motor/Tauchspule Strahlrohr d i y max p V = 0,25...0,5 mm = +/ /-75 mm = bar = 0,3...2,5 1/min Schieberauslenkung durch Proportionalmagnet Strahlauslenkung durch Torque-Motor d y max p V = mm = +/-1...+/-4 mm = bar = /min Düsen-Prallplatte d i y max p V = 0,12...0,2 mm = +/- 0,47 mm = bar = 0,1...2,5 1/min 28 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 14

15 Eigenschaften fluidtechnischer Aktoren Vorteile große Stellkräfte große Stellbereiche hohe Leistungsdichte direkte Erzeugung linearer Bewegung kein Energieumsatz im statischen Betrieb robuster Aufbau Nachteile (zusätzliche) Hilfsenergieerzeuger notwendig komplexe Systemstrukturen erforderlich anspruchsvolle Automatisierung zum Teil teure Servokomponenten (z.b. Ventile) eingeschränkte Positioniergenauigkeit Geräuschbildung 29 Fluidtechnische Aktoren 1 Physikalische Einführung Grundlagen 2 Fluidtechnische Einrichtungen 3 Pneumatik Aktoren 4 Hydraulik Aktoren 30 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 15

16 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. 31 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. 32 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 16

17 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 Kompressibilitätdes Fluids ist um denfaktor 10 4 größerund die Zähigkeit um etliche Zehnerpotenzen geringer. In der Pneumatik wird unterschieden: Höchstdruckpneumatik Hochdruckpneumatik Normaldruckpneumatik Niederdruckpneumatik p > 10 bar (bis 100 bar) p = bar p = bar p = bar 33 Druckluft als Arbeitsmedium Beim Einsatz von Druckluft sind wichtige physikalische Eigenschaften zu berücksichtigen: Dichte (druck- und temperaturabhängig) Kompressibilität Viskosität Feuchte der Luft Druckverluste 34 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 17

18 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 ρ = V ρ = p R T mit: p: = Druck V: = Volumen m: = Masse R: = massebezogene Gaskonstante T: = Temperatur ρ: = Dichte 35 Für die Norm-Atmosphäre werden nach DIN 5450 die nachfolgenden Werte zugrunde gelegt: Luftdruck p a = 1,01325 bar Luftdichte ρ a = 1,225 kg/m 3 Lufttemperatur T a = 20 C = 293 K 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. 36 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 18

19 Druckluft als Arbeitsmedium Viskosität Die Viskositätist 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 abhängigvon 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. Viskosität Öl Luft Temperatur 37 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). 38 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 19

20 q m Sättigungsmenge Druckluft als Arbeitsmedium Feuchte U = 100% = q m U = 50% U = 70% 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: Wasserdampfmenge abs. Luftfeuchtigkeit a: a = m 3 Temperatur rel. Luftfeuchtigkeit U: U a U 1 = 100 % q a m qm Temperatur [ C] Sättigungsmenge q m [g/m 3 ] 2,1 4,9 9, 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 q m ist weitgehend druckunabhängig. Bei der Verdichtung wird das Volumen V kleiner, aund/bzw. Uwerden größer bis q m bzw. U = 100% erreicht wird; bei weiterer Verdichtung Kondensat. Bei der Verdichtung von Luft unter realen Bedingungen wird immer Kondensatanfallen. 40 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 20

21 Fluidtechnische Aktoren Druckluftmotoren Fluidtechnische Motoren wandeln hydraulische oder pneumatische Energie in mechanische Energie um! Es werden unterschieden: Rotationsmotoren Translationsmotoren 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. 42 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 21

22 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 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 44 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 22

23 Charakteristik eines Druckluftmotors Ideal für explosionsgefährdete Räume Leichte Laufrichtungsänderung Robust Einfacher Einbau Der Druckluftmotor ist einer der robustesten und vielseitigsten Antriebe, die dem Anwenderheute 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! 45 Turbinenmotor Der Turbinenmotor bietet sehr hohe Drehzahlen von z. B 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 U/min. Leistungsbereich: max. Drehzahl: 0,01 bis 18 kw U/min spez. Luftverbrauch: 30 bis 60 l/kj 46 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 23

24 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: 1,5 bis 30 kw 6000 U/min spez. Luftverbrauch: 15 bis 23 l/kj Arbeitsräume/ Umdr.: 4 bis 6 47 Zahnradmotor Der Zahnradmotor wird überwiegend im Bereich der Schwerindustrie und im Bergbau eingesetzt. Leistungsbereich: max. Drehzahl: bis zu 44 kw U/min spez. Luftverbrauch: 30 bis 50 l/kj Arbeitsräume/Umdr.: 10 bis Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 24

25 Lamellenmotor Der Lamellenmotor hat ein günstiges Leistungsgewicht (kg/kw) und ist für Drehzahlen von U/minund mehr geeignet. Bei Lastschwankungen reagiert der Motor mit relativ großen Drehzahlschwankungen. Dies kommt durch die Kompressibilität der Luft. Anschluss gegen den Uhrzeigersinn Auslass Anschluss im Uhrzeigersinn Leistungsbereich: 0,1 bis 18 kw max. Drehzahl: U/min spez. Luftverbrauch: 25 bis 50 l/kj Arbeitsräume/ Umdr.: 2 bis 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. 50 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 25

26 Aufbau und Funktion Der Grundaufbau eines Lamellenmotors besteht aus nur wenigen Komponenten Zylinderscheibe 2. Rotor 3. Lamelle 4. Zylinder 5. Zylinderscheibe 4 2 Quelle: Atlas-Copco 51 Aufbau und Funktion Funktionsprinzip eines Druckluftlamellenmotors Umsteuerbare Motoren haben drei Anschlüsse Quelle: Atlas-Copco 52 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 26

27 Aufbau und Funktion Druckluft strömt durch die Einlasskammer ain den Motor. Die Lamelle 2 dichtet die zwischen sich und Lamelle 3 liegende Kammer bab. 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 bwird 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. 53 Anzahl der Lamellen in Motoren für unterschiedliche Anwendungen Ein Qualitätsmerkmalist 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 54 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 27

28 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. 55 Leistungskurve & Arbeitspunkt Drehmoment [Nm] Leistung [kw] max. Leistung Nennmoment Leistungskurve Luftverbrauch (l/s) Leistung Dreh- Moment Luftverbrauch Drehmoment [Nm] Arbeitspunkt Der Schnittpunkt der Drehmomentund der Drehzahlkurve ist der Arbeitspunkt. Drehzahl (U/min) Drehzahl (U/min) Quelle: Atlas-Copco 56 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 28

29 Luftverbrauch & Anlassmoment Luftverbrauch 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. Anfahrmoment [Nm] Anlaufmoment Min. Anfahrmoment Winkel Das Anfahrmoment ist abhängig von der Lamellenposition Quelle: Atlas-Copco 57 Drehmoment [Nm] 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. Drosselung Drehmoment [%] Druckregelung Quelle: Atlas-Copco Drehzahl (U/min) Drehzahl 100% 58 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 29

30 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] Leistung [kw] max. Leistung Nennmoment [Nm] Luftverbrauch (l/s) Leistung Dreh- Moment Luftverbrauch Drehzahl (U/min) Quelle: Atlas-Copco 59 Wahl des passenden Motors Unterschiedliche Arbeitpunkt-Bereiche Drehmoment [Nm] Quelle: Atlas-Copco 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. hohes Anfahrmoment niedriger Luftverbrauch hohe Getriebeabnutzung niedrige Lamellenabnutzung idealer Betriebsbereich durchschnittliche Abnutzung der meisten Teile Drehzahl (U/min) kleines Anfahrmoment hoher Luftdruck niedrige Beanspruchung der Getriebe hohe Lamellenabnutzung Lebensdauer Die Lebensdauereines Druckluftmotors ist abhängig von verschiedenen Faktoren. Der Arbeitszyklus ist eine Mischung aus Leerlauf, Laufen bei max. Leistung und Laufen bis zum Abwürgen. Die Lebensdauer für geölte Lamellen beträgt ca Std. und für ölfreielamellen 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. 60 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 30

31 Fluidtechnische Aktoren Pneumatikzylinder Ein Pneumatikzylinder erzeugt eine lineare Bewegung, die als Plus- oder Minus-Hub bezeichnet wird. Der Pneumatikzylinder wandelt Druckluftenergie direktin mechanische Arbeit um. Die Zylinder werden allgemein in drei Gruppen aufgeteilt: Einfach wirkende Pneumatikzylinder Doppelt (Zweifach) wirkende Pneumatikzylinder Sonderzylinder (Sonderbauformen) 61 Einfach wirkende Pneumatikzylinder Gehäuse Kolben Rückholfeder Luftzufuhr Kolbendichtung Einfach wirkender Pneumatikzylinder F Beschl. A k p a Anwendung finden einfach wirkende Pneumatikzylinder dort, wo lediglich eine Hubrichtungs-Arbeit verrichtet wird. In Abhängigkeit der Hubrichtung wird die entsprechendekolbenseite mit Druckluft beaufschlagt. Das Zurückführen in die Ausgangsposition wird in Form einer Rückstellfeder realisiert. F Last F Reibung p S Symbol F Feder. 62 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 31

32 Zweifach wirkende Pneumatikzylinder = Zylinderrohr, 6 = Lagerbuchse 2 = Bodendeckel, 7 = Abstreifring 3 = Lagerdeckel, 8 = Doppeltopf- 4 = Kolbenstange, manschette 5 = Nutring, 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. 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 64 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 32

33 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 65 Sonderbauformen (2) Schlagzylinder Verwendung in Pressen, Stanzen, Schmieden und Vorrichtungen zum Nieten Symbol Zahnstangenzylinder & Drehzylinder Anwendungsbeispiele für diese Art von Zylinder sind: Wenden von Werkstücken, Biegevorrichtungen, Betätigen von Stellorganen u. a. für begrenzte Drehbewegungen. 66 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 33

34 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. 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. 68 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 34

35 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. 69 Fluidtechnische Aktoren 1 Physikalische Einführung Grundlagen 2 Fluidtechnische Einrichtungen 3 Pneumatik Aktoren 4 Hydraulik Aktoren 70 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 35

36 Hydraulische Aktoren Die meisten hydraulischen Energiewandler arbeiten nach dem hydrostatischenprinzip. Eine Druckbilanz in einem hydraulischen System entscheidet über einen hydrodynamischen (Kraftentstehung: Masse X Beschleunigung)oder einem hydrostatischen(kraftentstehung: Kraft X Fläche) Betrieb. Druckbilanz: ρ hydr = pstat + pdyn = p 0 + ρ 2 v Im Fall, dass der statische Druck p 0 überwiegt, wird von einem hydrostatischen Antrieb gesprochen. Überwiegt der dynamische Druckanteil ρ/2 v 2, spricht man vom hydrodynamischen Betrieb V = Strömungsgeschwindigkeit ρ= Dichte Eigenschaften hydraulischer Aktoren Druckbereich: Niederdruck: bar Hochdruck: bar (und darüber) Im hydrodynamischen Bereich wird mit einem Druck von p = 0, bar gearbeitet. Die Einheit bar konnte nicht durch die SI-Einheit N/m 2 = Paverdrängt werden; es gilt die Umrechnung 1bar = 105 N/m 2 = 0,1 Mpa. Strömungsgeschwindigkeiten: v bis ca. 2 m/s in Ausnahmefällen bis 12 m/s bei hydrostatischen Antrieben (ρ/2 v 2 << p stat. ) v bis 50 m/s bei hydrodynamischen Antrieben Leistung: P= Q(Volumenstrom) p(druckdifferenz) (Mechanik: P mech = F v) 72 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 36

37 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 (Energiewandler) Hydraulikflüssigkeit (Energieträger) Hydromotor oder Hydrozylinder (Energiewandler) 73 Eigenschaften hydraulischer Aktoren Kraftdichte Aufgrund der hohen Drücke lassen sich große Kräfte bei kleinen Baugrößen erzeugen. Beispiel (1):Ein Hydraulikzylindermit der Querfläche von 1 cm 2 (Bleistiftdicke) kann bei einem Druck von 500 bar 0,5 Tonnen heben. Beispiel (2):Eine Hydraulikpumpe mit einem Fördervolumen von l/minund einem Drehmoment von Nmhat 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 kg. Damit ergibt sich ein Leistungsgewicht von 1kW/kg. 74 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 37

38 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; 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 Ölsäulevon 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 Leistungsverstärkungvon mehr als 10 5 entspricht. 76 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 38

39 Größenvergleich zwischen elektrischen & hydraulischen Motoren Gleichstrommotor Drehstrommotor Hydraulikmotor Masse Einbaugröße Die jeweiligen Motoren besitzen die gleiche Leistung! 77 Pumpen und Drehantriebe Wie bei elektrischen Maschinen gleicher Bauform, die Umwandlung elektrischer in mechanischeenergie (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 Vangegeben, das sich bei einer Umdrehung der Welle ergibt. Weitere Merkmale sind der Druckbereich ( Nenndruck P N, der Drehzahlbereich, der Wirkungsgrad und die Geräuschemission (L p in db (A)). 78 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 39

40 Zahnradpumpe/-motor Außenzahnradpumpe 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 Q th ergibt sich nach der Formel: mit: m = Modul z = Zähne m z = Teilkreisdurchmesser b = Radbreite c = Kopfhöhe n = Drehzahl 79 Q th = π m z b c n 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. Saugseite Gehäusewand Rotor Motorseite Saugseite Pumpenseite Druckseite Druckseite Flügelzellenpumpe und getriebe mit geschlossenem Kreislauf 80 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 40

41 Radialkolbenpumpe/-Motor Radialkolbenpumpe innen beaufschlagt Radialkolbenpumpe außen 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. 81 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. Taumelscheibenmaschine fest Bei der Taumelscheibenmaschine dreht sich die Taumelscheibe mit der Welle, während die Kolben in einem feststehenden Gehäuse untergebracht sind. 82 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 41

42 Axialkolbenmaschinen (2) Schrägachsenmaschine fest Hier ist das feststehende Gehäuse, in dem die Trommel mit dem Kolben rotiert, gegenüber der Antriebswelle abgewinkelt. 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. 84 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 42

43 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 Druckanschluss B 85 Vorteile & Nachteile hydraulischer Antriebe Vorteile Hohe Energiedichte Einfache Erzeugung hoher Kräfte/Momente bei geringer Geschwindigkeit (Getriebe nicht notwendig); Hohe Steifigkeit wegen der geringen Kompressibilitätund der Möglichkeit die Bauform anzupassen; Geringe Kühlprobleme, da das Öl die Wärme abführt. Nachteile Zusätzliche Energieumwandlung führt zu höheren Verlusten und zusätzlichen Investitionskosten; Zum Teil stark nichtlineares Verhalten durch Ventilsteuerung; Verschmutzung durch Öl bei undichten Leitungssystemen; Temperaturunabhängigkeit des Verhaltens; Hoher Wartungsaufwand. 86 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 43

44 Gegenüberstellung der Fluide Luft und Öl Quelle: G. Schenke, Mechatronik 87 Vergleich hydraulischer und pneumatischer Aktoren 88 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 44

45 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 89 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 45