Druckluftmotoren zum Ein- und Anbau

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1 Druckluftmotoren zum Ein- und Anbau

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3 Druckluftmotoren Inhalt Kapitel Seite 1. Charakteristik eines Druckluftmotors Aufbau und Funktion Leistung eines Druckluftmotors Verwendung von Getrieben Wellenbelastung Änderung der Motorleistung Leistungsangaben in Katalogen Wahl des passenden Motors Geräuschdämpfung Einbau eines Druckluftmotors Anhang TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN 3

4 1. Charakteristik eines Druckluftmotors Der Druckluftmotor ist einer der robustesten und vielseitigsten Antriebe, die dem Konstrukteur 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. Kompakt und leicht Im Vergleich zu leistungsgleichen Elektromotoren sind Luftmotore wesentlich kleiner und leichter. Dabei sind die Verhältnisse beim Platzbedarf ca. 1:6, bei der Masse 1:4. Von gleicher Baugröße ausgehend, haben Luftmotore eine mehrfach höhere Leistung. Drehmoment steigt mit der Last Die Leistung eines Druckluftmotors ändert sich über einen großen Drehzahlbereich nur geringfügig sinkt die Drehzahl aufgrund zunehmender Belastung, so steigt das Drehmoment. Ausgangsleistung stufenlos einstellbar Drehmoment und Leistung eines Druckluft - Motors lassen sich durch Änderung des Betriebsdruckes stufenlos einstellen. Ferner ist die Drehzahl im gesamten Bereich durch Änderung der Luftzufuhr stufenlos steuerbar. 4 TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN

5 Ohne Schaden überlastbar Druckluftmotore können ohne Schaden bis zum Stillstand überlastet werden. Sie laufen nicht heiß, auch nicht durch ständiges Anfahren und Halten. Ideal für explosionsgefährdete Räume Luftmotore erzeugen keine Funken und können gefahrlos in feuer- und explosionsgefährdeten Räumen eingesetzt werden. Ferner schützt die robuste Motorkonstruktion gegen chemische Einflüsse. Leicht umsteuerbar Ein Druckluftmotor läßt sich über ein Wegeventil leicht umsteuern. Er arbeitet in beide Richtungen mit voller Leistung. Einfacher Einbau Die Montage von Druckluftmotoren die übrigens in jeder Einbaulage arbeiten ist problemlos. Auch die Anschlußleitungen lassen sich einfach verlegen. Robust Luftmotore sind unempfindlich gegen Hitze, Vibrationen, Korrosion und mechanische Einflüsse. Ihre Zuverlässigkeit unter extremen Betriebsbedingungen ist unerreicht. TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN 5

6 2. Aufbau und Funktion Druckluftmotore gibt es in Form von Lamellen-, Zahnrad-, Kolben- und Turbinenmotoren. In diesem Taschenbuch befassen wir uns nur mit Lamellenmotoren bis etwa 5 kw Leistung. Denn sie sind die am häufigsten eingesetzte Bauart. Aufbau Ein genuteter Rotor dreht sich exzentrisch in der 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 Zylinderscheibe 2. Rotor 3. Lamelle 4. Zylinder 5. Zylinderscheibe 3 Der Basisaufbau eines Lamellenmotors besteht aus nur wenigen Komponenten TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN

7 1 a 1 2 a 1 b 2 3 a 2 A 3 3 B b b C Funktionsprinzip eines Druckluft- Lamellenmotors. Funktion A. 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. B. Die Lamellen haben sich weitergedreht 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 Kammer "b". Außerdem wirkt der Einlaßdruck auf Lamelle 2 in der Einlaßkammer "a". C. 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 einfaches Prinzip also, bei dem die Druckenergie von Kammer zu Kammer in eine Drehbewegung des Rotors umgesetzt wird. b a LZB: Rechtsläufer/Linksläufer oder umsteuerbar Die am häufigsten eingesetzten Lamellenmotoren sind Rechtsläufer. Diese Motoren drehen (beim Blick auf die Anschlußplatte) im Uhrzeigersinn. Es gibt sie aber auch als Linksläufer und in umsteuerbarer Ausführung. Der Linksläufer unterscheidet sich nur durch eine spiegelbildliche Anordnung des Rotors vom Rechtsläufer. Beim umsteuerbaren Motor ist der Anschluß "a" der Einlaß für den Rechtslauf. "c" ist der Anschluß für die Hauptabluft und "b" bezeichnet den Abluftausgang. Beim Linkslauf dient "b" als Lufteinlaß und "a" als Luftauslaß. " c" bleibt auch im Linkslauf der Hauptabluftausgang. b c Umsteuerbare Motoren haben drei Anschlüsse. a c TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN 7

8 LZL Die Motore sind umsteuerbar und haben nur zwei Anschlüsse für Ein- bzw. Auslaß. LZL-Motore sind mit sechs Lamellen ausgerüstet, die durch Führungsstifte paarweise gekoppelt sind und mit Luftunterstützung zwangsgeführt an die Zylinderwandung gepreßt werden. Diese Bauweise ermöglicht ein ausgezeichnetes Startverhalten sowie sanften und zuverlässigen Lauf auch bei niedrigen Drehzahlen. LZL - Motor ein anderer Type von Lamellenmotor Rotor Geschwindigkeit Durch den zusätzlichen Druckaufbau unter den Lamellen werden diese kontinuierlich gegen die Zylinderwandung gepresst und dichten die Kammern optimal ab. Bei Drehung des Rotors schließen die Lamellen gegen die Zylinderwandung durch die Zentrifugalkraft. Bei hohen Drehzahlen jedoch muss die Andruckkraft der Lamellen begrenzt werden, damit die Abnutzung nicht zu groß wird. Der Abnutzungsgrad richtet sich nach der 3. Potenz der Gleitgeschwindigkeit zwischen Lamellenspitze und Zylinder. Daraus ergibt sich für die Praxis eine ziemlich genau definierbare Grenze für die höchste Drehzahl. Um die Zentrifugalkraft niedrig zu halten, sind hochtourige Motoren (d. h. ihre Rotoren) länger und mit dünneren Lamellen bestückt. Anzahl der Lamellen Ein Qualitätsmerkmal ist die Anzahl der Lamellen im Rotor, die von 3 bis 10 reichen kann. Verallgemeinernd darf man sagen, daß eine niedrige Lamellenzahl zwar geringere Reibungsverluste mit sich bringt, dafür aber ein unsicheres Startverhalten in Kauf nimmt. Eine höhere Lamellenzahl sichert ein gutes Startverhalten bei niedriger innerer Leckage, vermehrt jedoch die Reibung Anzahl der Lamellen in Motoren für unterschiedliche Anwendungen 8 TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN

9 Motor Planetengetriebe Motorgehäuse 1 2 Abtrieb Getriebe Lamellenmotoren arbeiten mit hohen Drehzahlen; die Leerlaufdrehzahl von LZB-Motoren beträgt etwa U/min, bei LZL-Motoren liegt die Leerlaufdrehzahl zwischen 6000 und 9300 U/min. Für die meisten Anwendungen ist die Drehzahl zu hoch und das Drehmoment zu gering, darum werden geeignete Getriebe vorgeschaltet. Lamellenmotore von Atlas Copco werden mit drei Getriebearten ausgerüstet: Planeten-, Stirnrad- und Schneckengetrieben. (Siehe Abbildung) Ölfreie Motoren Üblicherweise werden Lamellenmotoren über die Druckluft mit einer geringen Menge Oel versorgt. Ölfreie Motoren benötigen keine zusätzlichen Schmierölzugaben zur Druckluft. Ihre Lamellen bestehen aus einem reibungsarmen Material und die Lager sind dauergeschmiert. Sind lange Laufzeiten gefordert, so sollten geölte Motoren eingesetzt werden. Deren Lamellen haben gegenüber ölfreien Motoren die 3- bis 4fache Lebensdauer bzw. erreichen 3000 bis 4000 Bh. Entscheidend für die Lebensdauer ist die Luftqualität. Motoren mit Bremse Der am häufigsten eingesetzte Lamellenmotor LZB 33 kann auch mit einer integrierten Scheibenbremse ausgestattet werden. Diese sitzt dann zwischen Motor und Getriebe und ist federbelastet. Die Feder ist aktiv, wenn der Motor steht. Beim Start wird die Bremse pneumatisch gelöst. Immer dann, wenn bei stehendem Motor ein Drehmoment am Abtrieb gehalten werden muß, wird diese Bremse benötigt. Scheibenbremsen sind auch verfügbar für kleinere Schneckengetriebe in Verbindung mit LZL-Motoren. Diese haben entsprechen unserem Katalog unterschiedliche Bremsmomente. 3 Planetengetriebe (1), Stirnradgetriebe (2) und Schneckengetriebe (3) Motor mit integrierter Scheibenbremse. TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN 9

10 3. Leistung eines Druckluft - Motors Drehmoment Torque (Nm) 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 Zuluft, sei es durch Drosselung oder Druckregelung, läßt sich die Leistung eines Druckluftmtors ohne weiteres ändern. Eine Charakteristik der Druckluftmotoren ist, sie arbeiten über den gesamten Bereich der Drehmomentkurve, von der Leerlaufdrehzahl bis zum Stillstand, ohne jegliche Schäden für die Motoren. Die Leerlaufdrehzahl entspricht der Arbeitsdrehzahl wenn am Abtrieb keine Last anliegt. Drehzahl Speed (U/min) [rpm] Der Motor arbeitet über gesamten Kurvenbereich Leerlaufdrehzahl = Abtrieb dreht!ohne Last! Drehmoment ist Kraft (F) mal Weg (l) 10 TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN

11 Leistungskurve Die Leistung eines Druckluftmotors ist das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl. Die charakteristische Leistungskurve zeigt, daß die maximale Leistung bei etwa 50% der Leerlaufdrehzahl erreicht wird. Das Drehmoment an diesem Punkt entspricht oft dem Nennmoment. Drehmoment Torque (Nm) Leistung Power [kw] (kw) Max Max. Leistung output Max Nennmoment output torque Luftverbrauch (l/s) Leistung Drehmoment Luftverbrauch! Formeln P = (π x Mxn) / 30 M = (30 x P) / (π x n) n = (30 x P) / (π x M) P = Leistung [kw] M = Drehmoment n = Drehzahl [U/min] Leistungskurve eines Druckluftmotors bei konstantem Betriebsdruck. Drehzahl Speed [rpm] (U/min) Arbeitspunkt Für die Auswahl eines Druckluftmotors ist zuerst einmal der Arbeitspunkt festzulegen. Und zwar anhand der benötigten Drehzahl und des Drehmoments für die jeweilige Applikation. Der Schnittpunkt der Drehmoment- und Drehzahlkurve ist der!arbeitspunkt. Drehmoment Torque (Nm) Der Arbeitspunkt eines Druckluftmotors Drehzahl Speed (U/min) [rpm] Luftverbrauch Der Luftverbrauch von Druckluftmotoren ist sehr abhängig von der Motordrehzahl. Er ist im Leerlauf am höchsten. Aber auch im Stillstand (Abwürgen bei vollem Arbeitsdruck) verbraucht der Motor durch innere Leckagen etwas Luft.! Der Luftverbrauch wird in l/s angegeben. Die Luftverbrauchsangaben beziehen sich auf den Fließüberdruck von 6,3 barund meinen das Luftvolumen im entspannten (atmosphärischen) Zustand. Das gilt für alle Pneumatikkomponenten. TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN 11

12 Startmoment Startmoment Das Startmoment ist das Moment, das der Motor beim Anlauf unter belastetem Abtrieb aufbringen!muss. LZB 33 A022 Startmoment Lamellenmotore haben ein variables Startmomentverhalten. Es ist abhängig von der Position der Lamellen zum Lufteinlaß. Das niedrigste Startmoment, welches ein sicheres Anlaufen der Motoren garantiert, bezeichnet man als Min-Startmoment. Unterschiedliche Motortypen zeigen auch ein unterschiedliches Startverhalten. Es ist normal, daß umsteuerbare Motoren eine größere Streuung der Startmomente zeigen als nicht-umsteuerbare Motoren. Das Min- Startmoment der umsteuerbaren Motoren ist kleiner. LZB 33AR019 Min. Startmoment Das Startmoment ist abhängig von der Lamellenposition. Winkel Abwürgemoment Wird ein Druckluftmotor bis zum Stillstand belastet, erreicht er sein höchstes Drehmoment, das Abwürgemoment. Das Abwürgemoment ist nicht in den Tabellen aufgeführt, kann aber als doppelt so hoch wie das Nennmoment angenommen werden. Beispiel: Das Nennmoment eines Motors beträgt 10 Nm, dann erreicht er ein Abwürgemoment von etwa 20 Nm. Das Abwürgemoment steht an, wenn der Motor aus dem Lauf!heraus blockiert wird Das Abwürgemoment variiert wenn der Motor bis zum Stillstand blockiert wird. Bei hoher Drehzahl erreicht der Motor ein höheres Abwürgemoment als bei niedriger Drehzahl. Der Grund liegt in der kinetischen Energie; sie ist bei geringer Drehzahl höher als bei hoher Drehzahl. Drehmoment Torque Drehzahl Speed [U/min] [rpm] Blockade (langsam) Drehmoment Torque Drehzahl Speed [U/min] [rpm] Blockade (schnell) 12 TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN

13 4. Verwendung von Getrieben Druckluftmotoren arbeiten mit hohen Drehzahlen. Obwohl über einen weiten Drehzahlbereich regelbar, sind ihre Leistungsdaten nicht immer für die gedachte Aufgabe geeignet.um die gewünschten Daten zu erreichen, werden geeignete Getriebe vorgeschaltet. Drehmoment Torque Nm] 2:1 1:1 Die Planeten- und Stirnradgetriebe von Atlas Copco haben einen hohen Wirkungsgrad, der praktisch mit 100 % angesetzt werden kann. Denn während das Drehmoment-/ Drehzahlverhältnis eine beträchtliche Änderung erfährt, bleibt die Leistung nahezu unverändert, das Drehmoment steigt und die Drehzahl sinkt entsprechend der Getriebeübersertzung. 4:1 1:1, 2:1, 4:1 = Getriebeübersetzung Drehzahl [U/min] Drehzahl und Drehmoment: Änderung bei unterschiedlichen Getrieben. 5. Wellenbelastung Die Wellenbelastung beeinträchtigt die Standzeit der Lager. Im Motorenkatalog von Atlas Copco sind Tabellen für die höchstzulässigen Wellenbelastungen bei Standzeiten von 10 Millionen Umdrehungen aufgeführt. Die Kurven zeigen die maximale Belastungskombination von Radial- und Axialkräften. Abtiebsbelastung hat Einfluß auf die Lagerstandzeiten. TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN 13

14 6. Methoden zur Änderung der Motorleistung Luftdrosseln und Druckregler sind zwei typische Regelmethoden zur Veränderung der Motorleistung. Welche Methode angewandt wird, hängt von der Anwendung ab. Die Leerlaufdrehzahl und das Drehmoment von LZB-Motoren kann bis auf 50 %, die Leerlaufdrehzahl von LZL- Motoren bis auf 10% und das Drehmoment von LZL-Motoren bis auf 20 % heruntergeregelt werden. Torque Drehmoment [100%] 100 Torque Drehmoment [100%] Drehmoment [100%] Torque Drehzahl [100%] Der LZB Druckluftmotor kann innerhalb der roten Linien geregelt werden Drehzahl [100%] Der LZL kann innerhalb der roten Linien, also in Moment und Drehzahl sehr weit heruntergeregelt werden. Drehzahl [U/min] Drosselung Drosselblenden können in die Zu- aber auch in die Abluftleitung eingebaut werden. Der Vorteil der Zuluftdrosselung besteht darin, daß der Luftbedarf reduziert wird, wogegen die Abluftdrosselung ein geringfügig höheres Startmoment bewirkt. Ist ein hohes Startmoment wichtig, so reduziert sich nur die Drehzahl. Die Luftdrosselung ist eine probate Regelmethode für Luftmotore. Drosselung ist eine Durchflußsteuerung der Luft und hat einen größeren Einfluss auf die Drehzahl als auf das Drehmoment. 14 TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN

15 Druckregelung Druckregler werden in den Zuluftschlauch des Motors eingebaut. Die Verwendung ist ideal, wenn das Abwürgemoment geregelt werden soll und ein hohes Startmoment von untergeordneter Bedeutung ist. Drehmoment Torque Motorleistung bei unterschiedlichen Betriebsdrücken Die im Motorenkatalog angegebenen Leistungsdaten gelten für Betriebsüberdrücke von 6,3 bar. Für andere Drücke muß die Leistungskurve entsprechend der Tabelle 1 neu berechnet werden. Die Leistungsdaten werden dann mit den Korrekturbeiwerten des jeweiligen Betriebsdrucks multipliziert. Table 1 Korrekturbeiwerte Betriebsdruck Leistung Drehzahl Drehmoment Luftbedarf (Bar) (Psi) ,13 1,01 1,09 1, ,94 0,99 0,95 0, ,71 0,93 0,79 0, ,51 0,85 0,63 0, ,33 0,73 0,48 0,44 Druckregelung beeinflußt mehr das Drehmoment als die Drehzahl. Drehzahl [U/min] Manchmal ist es schwierig, anhand von Vorgaben den richtigen Motor zu finden. Hier hilft Ihnen das Atlas Copco-Auswahlprogramm. Schnelle und leichte Berechnung der Druckluftmotoren am PC: Atlas Copco-Auswahlprogramm TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN 15

16 7. Leistungsangaben in Katalogen Die in Motorenkatalogen von Atlas Copco angegebenen Leistungsdaten gelten bei Betriebs - überdrücken von 6,3 bar. Die Motordaten gehen aus den jeweils beigestellten Diagrammen hervor. Luftverbrauch Drehmoment Torque Leistung [kw] Power [kw] Max. Leistung output Max Nennmoment output torque 1 3 Luftverbrauch (l/s) Leistung Drehmoment 5 Dem Leistungsdiagramm lassen sich verschiedene Hauptdaten entnehmen. Diese Daten sind in den Spezifikationsblättern der Motoren wie folgt aufgeführt: 1. Nennleistung, kw 2. Nenndrehzahl, U/min 3. Nennmoment, Nm 4. Leerlaufdrehzahl,rmp 5. Luftverbrauch bei maximaler Leistung, l/s 2 4 Drehzahl Speed [U/min] [rpm] Anhand der Zahlen finden Sie die Hauptdaten im Diagramm. Diese Daten sind auch in den Tabellen der Motorenkataloge aufgeführt. Das Startmoment eines Druckluftmotors schwankt, es ist von der Lage der Lamellen im Expansionsraum abhängig. Diese Information kann nur den Datentabellen entnommen werden, die den jeweils niedrigsten Wert angeben. Das Abwürgemoment wird nicht in den Katalogdaten aufgeführt, ist aber etwa doppelt so hoch wie das Nennmoment. 16 TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN

17 8. Wahl des passenden Motors Für die Auswahl des für einen bestimmten Einsatzfall passenden Druckluftmotors ist es wichtig zu prüfen, ob die Drehzahl oder das Drehmoment die höhere Priorität hat. Allgemeine Hinweise zur Motorenwahl Bei der Wahl eines Motors muß zuerst einmal der sogenannte Arbeitspunkt definiert werden. Das ist der Punkt, der durch die gewünschte Betriebsdrehzahl des Motors und das bei dieser Drehzahl erforderliche Drehmoment beschrieben wird. Drehmoment Torque (Nm) kleines Anlaufmoment instabile Drehzahl niedriger Luftverbrauch hohe Beanspruchung der Getriebe niedrige Lamellenabnutzung kleiner Motor durchschnittliche Abnutzung der meisten Teile hohes Anlaufmoment stabile Drehzahl hoher Luftverbrauch hohe Lamellenabnutzung niedrige Getriebeabnutzung Der breite Arbeitsbereich eines Luftmotors macht es wahrscheinlich, daß mehrere Motoren den gewünschten Arbeitspunkt erfassen. Es ist jedoch wirtschaftlich, einen Druckluftmotor zu wählen, dessen Nenndrehzahl und Nennleistung in der Nähe des Arbeitspunktes Unterschiedliche liegen. Arbeitpunktbereiche Drehzahl [U/min] Um eine stabile Motordrehzahl zu erreichen, sollte man vermeiden, den Motor mit Drehzahlen unterhalb der Nennleistung zu fahren. Damit ist sichergestellt, dass bei Laststeigerung noch eine gewisse Reserveleistung verfügbar ist. Auch bei Ungewißheit hinsichtlich des Drehmomentes sollte in der Nähe der Leerlaufdrehzahl gefahren werden. Niedrige Drehzahlen und hohe Drehmomente sorgen für eine hohe Belastung der Zahnräder. Hohe Drehzahlen verkürzen die Lebensdauer der Lamellen. Wenn eine sehr lange Lebensdauer erforderlich ist, sollte man einen großen Motor wählen, der entweder gedrosselt oder mit niedrigem Druck gefahren wird. TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN 17

18 Beispiel 1 Ein nicht-umsteuerbarer Motor soll bei einer Drehzahl von 300 U/min ein Drehmoment von 10 Nm erzeugen. Die im Arbeitspunkt erforderliche Leistung wird wie folgt berechnet: 1. Leistung P = 3,14 x M x n/30 = 3,14 x 10 x 300/30 = 314 Watt (0,314 kw) 2. Aus dem Motorkatalog oder dem Auswahlprogramm kann man den Motor mit der entsprechenden Leistung ermitteln. Der LZB 33 (0,39 kw) wäre hier der richtige Motor. 3. Sobald die Motorgröße festgelegt ist, sucht man anhand der Leistungskurven die Motorvariante,die dem Arbeitspunkt am nächsten kommt. 4. Anhand der Leistungsdiagramme haben wir die Wahl zwischen zwei Motoren: A007 und A005. Die Entscheidung sollte für den A005-Motor fallen. Denn dieser Motor fährt mit der Drehzahl unter der Höchstleistung und hat ein höheres Startmoment. 5. Häufig stellt man anhand der Leistungskurven fest, daß der Motor bezüglich des Arbeitspunkts geringfügig angepaßt werden muß. Das kann entweder durch Drosselung oder Druckregulierung erfolgen. Leistung [kw] Drehmoment Luftverbrauch [l/s] Leistung [kw] Drehmoment Luftverbrauch [l/s] Die Leistungskurven zeigen die Wahlmöglichkeiten zwischen dem LZB 33 A007 und dem LZB 33 A Drehzahl [U/min] 200 LZB 33 A007 LZB 33 A Drehzahl [U/min] Unterschiedliche Arbeitsparameter Normalerweise reicht das Drehmoment mit entsprechender Drehzahl als Arbeitsparameter aus. Oft sind aber auch zusätzliche Kriterien sehr wichtig: Anlaufmoment Abwürgemoment Leerlaufdrehzahl Lebensdauer Luftverbrauch Abtriebswelle 18 TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN

19 Ein Motor muß beim Anlauf ein bestimmtes Startmoment erzeugen. Bei einigen Anwendungen bewegt der Motor Lasten und benötigt hierfür ein bestimmtes Anlaufmoment beim Start. In den Motorenkatalogen gehen die Minimum-Anlaufmomente aus den Tabellen hervor. Beispiel 2 Ein Druckluftmotor bewegt eine Laufkatze, der Arbeitspunkt liegt bei Md = 20 Nm bei n =150 U/min. Das Anlaufverhalten ist hier sehr wichtig, der Motor benötigt ein Anlaufmoment von 35 Nm Leistung : P=3.14x20x150/30 = 314 W (0.314kW) Die richtige Motorgröße für diese Anwendung ist gemäß Katalog oder Auswahlprogramm der LZB 42 (0,53kW). Die Leistungskurven zeigen bezüglich des Arbeitspunktes, daß der LZB 42 AR 004 der richtige Motor wäre. Wir benötigen aber ein Anlaufmoment von 35 Nm. Der LZB 42 AR 004 erzeugt aber nur ein garantiertes Minimum-Anlaufmoment von 28,6 Nm. Wir müssen also einen Motor mit einer anderen Getriebeübersetzung wählen, einen Motor mit höherem Anlaufmoment. Der LZB 42 AR0025 hat ein Minimum-Anlaufmoment von 44 Nm und ist eine gute Wahl für diese Anwendung. Leistung [kw] Drehmoment Luftverbrauch [l/s] Leistung [kw] Drehmoment Luftverbrauch [l/s] Drehzahl [U/min] Drehzahl [U/min] Der LZB 42 AR004 entspricht gemäß dem Arbeitspunkt den An - forderungen, aber nicht bezüglich des Anlaufmoments. Gewählt wurde darum der LZB 42 AR0025. LZB 42 AR004 LZB 42 AR0025 TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN 19

20 Der Motor benötigt ein spezifiertes Abwürge - moment und eine spezifizierte Leerlaufdrehzahl. Das Eindrehen von Schrauben und das Verzurren von Spannbändern erfordert ein gleiches Motorverhalten, nämlich hohe Leerlaufdrehzahlen und ein spezifiziertes Abwürgemoment. Für das Eindrehen der Schraube und das Vorspannen von Bändern werden aus Zeitgründen hohe Leerlaufdrehzahlen mit niedrigem Drehmoment gefordert. Erst im zweiten Arbeitsschritt, dem Endanzug oder Entspannen, wird ein spezifiziertes Abwürgemoment benötigt. Beispiel 3 Es wird ein Motor für das Verschrauben benötigt. Das geforderte Drehmoment beträgt 25 Nm und die Einschraubdrehzahl (Leerlaufdrehzahl) 500 U/min. Der Motor muß nicht umsteuerbar sein, sondern nur rechtsdrehend. Das Abwürgemoment ist in unserem Katalog nicht aufgeführt, aber leicht zu ermitteln, da es doppelt so groß ist wie das Drehmoment bei maximaler Leistung. Die Leerlaufdrehzahl ist ebenfalls doppelt so hoch wie die Drehzahl bei maximaler Leistung. Also suchen wir einen Motor mit 12,5 Nm und 250 Umdrehungen bei maximaler Leistung. Leistung [kw] Drehmomenta 8 4 Luftverbrauch [l/s] LZB 33 A005 LZB 33 A 005 ist eine gute Wahl zum Verschrauben Drehzahl [U/min] Wir benötigen also einen rechtsdrehenden Motor mit einer Leistung von (3,14x 12,5x2509/30= 327 W. Der LZB 33 A005 hat 14 Nm bei max. Leistung (Abwürgemoment 24Nm) und eine Leelaufdrehzahl von 550 U/min bei p e = 6,3 bar. Wir benötigen aber exakt 25 Nm Abwürgemoment und müssen somit das Drehmoment durch geringe Reduzierung des Arbeitsdrucks ewas verringern. Durch die Druckreduzierung veringert sich auch die Leerlaufdrehzahl. Sie kann zusätzlich durch Abluftdrosselung auf 500 U/min justiert werden. Lebensdauer Die Lebensdauer eines Druckluftmotors ist abhängig von verschiedenen Faktoren. Der Arbeitszyklus ist ein Mix aus Leerlauf, Laufen bei max. Leistung und Laufen bis zum Abwürgen. Die Lebensdauer für geölte Lamellen beträgt an die 4000 Stunden und für ölfreie Lamellen gut 1000 Stunden Für Getriebe und andere Motorteile beträgt die Lebensdauer etwa 5000 Stunden Eine längere Lebensdauer erreicht man durch den Einsatz von größeren Motoren. Durch Reduzierung des Arbeitsdrucks wird der Motor entsprechend der geforderten Leistung angepaßt. 20 TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN

21 Beispiel 4 Ein Farbenrühwerk soll durch einen Luftmotor im 8 Stundenbetrieb angetrieben werden. Das Drehmoment beträgt 20 Nm bei 150 U/min; eine hohe Lebensdauer ist sehr wichtig. Der Arbeitspunkt erfordert eine Leistung von 3,14x 20x150/ = 314 W. Ein Motor, der den Arbeitspunkt bei max. Leistung erreicht, ist der LZB 33 A0030. Bei einer Laufzeit von 8 Stunden/Tag sollte, um eine hohe Lebensdauer zu erreichen, ein größerer Motor mit reduziertem Arbeitsdruck eingesetzt werden. Eine Alternative ist der LZB 42. Wir suchen in dieser Baureihe den Motor mit dem erforderlichen Arbeitspunkt und finden den LZB 42 A 006. Wir sehen, daß die Drehzahl im Arbeitspunkt bezogen auf die Leerlaufdrehzahl sehr niedrig ist und somit eine lange Lebensdauer der Lamellen garantiert. Ein weiterer Vorteil ist, daß beim max. Leistung ein niedriges Drehmoment benötigt und somit auch eine hohe Lebensdauer für die Getriebe erreicht wird. Eine weitere Möglichkeit ist der LZB 42 A0030, da der Arbeitspunkt liegt bei halber Leerlaufdrehzahl und das Drehmoment beim halben Nennmoment liegt, was eine lange Lebensdauer für alle Bauteile verspricht. Der Arbeitspunkt wird durch Reduzierung des Arbeistdrucks eingestellt. Leistung Power Drehmoment Luftverbrauch Leistung Power Drehmoment Luftverbrauch Leistung Power Drehmoment Luftverbrauch [kw] [l/s] [kw] [l/s] [kw] [l/s] Drehzahl [U/min] Drehzahl 600 [U/min] Drehzahl [U/min] LZB 33 A0030 LZB 42 A005 LZB 42 A0030 Ein größerer Motor hat eine längere Lebensdauer Luftverbrauch Hat ein niedriger Luftverbrauch Priorität, so sollte der kleinstmögliche Motor eingesetzt werden. Bei der Auswahl ist darauf zu achten, daß ein Motor, der nahe der Leerlaufdrehzahl arbeitet, den höchsten Luftverbrauch hat. Muß die Motorleistung reduziert werden, so sollte, um einen möglichst niedriegen Luftverbrauch zu erhalten, die Ab- oder Zuluft gedrosselt werden. Eine weitere Möglichkeit liegt in der Reduzierung des Arbeitsdrucks. Wellenbelastung Die zulässige Wellenbelastung für verschiedene Motor- und Getriebekombinationen stehen im Motorenkatalog. Die Wellenbelastungskurve für eine bestimmte Einheit kann anhand der in dentabellen aufgeführten Belastungskennzahlen bezüglich der Radial- und Axialkräfte identifiziert werden. TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN 21

22 9. Geräuschdämpfung Das von einem Druckluftmotor erzeugte Geräusch rührt im wesentlichen von der austretenden Abluft her. Der Geräuschpegel nimmt mit der Drehzahl zu und ist im Leerlauf am höchsten. Alle Atlas Copco-Motoren haben eine Abluftöffnung mit Gewinde, in die zur Senkung des Geräuschpegels ein Geräuschdämpfer ein - geschraubt werden kann. Es kann auch ein Abluftschlauch verwendet werden, der in Verbindung mit einem Geräuschdämpfer den Geräuschpegel noch weiter senkt. Die Auswirkung der verschiedenen Geräuschdämpfungsmaßnahmen zeigt die Tabelle kw Motor Leerlaufdrehzahl Schall- Echofreier Raum pegel in Abstand 1 m Massnahme db (A) Keine 94 Nur- 77 Geräuschdämpfer Nur-Schlauch 84 Unterschiedliche Schalldämpfungsmöglichkeiten und ihre Wirkung: Die Schallpegelwerte sind fiktiv und gelten nur in ihrer Verhältnismäßigkeit zueinander. Schlauch mit 75 Geräuschdämpfer 22 TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN

23 10. Einbau des Druckluftmotors Damit ein Druckluftmotor einwandfrei funktioniert, benötigt er eine bestimmte Menge Luft bei einem bestimmten Druck mit ausreichend dimensionierten Zu - und Abluftschläuchen. Luftleitungen Zu lange Leitungen oder zu kleine Durchmesser bringen Druckabfälle. Diese reduzieren die Drehzahlen und Drehmomente. Es ist darum überaus wichtig, daß die Abluftleitung einen größeren Durchmesser hat als die Zuluftleitung. Der Grund besteht darin, daß die expandierte Abluft ein größeres Volumen hat als die komprimierte Zuluft. Für einen Einlaßdruck von 6,3 bar (7,3 bar absolut) und einen Auslaßdruck unter atmosphärischem Druck (1 bar absolut) nimmt das Volumen um den Faktor 7,3 zu. In der Praxis bedeutet dies, daß bei gleichen Abmessungen für Zu-und Abluftleitungen ein Rückstaudruck im Motor aufgebaut wird und den Wirkungsgrad reduziert. Tabelle 2 Motor Zuluft- Abluft- Zuluftschl. Abluftschl. Abluftschl. Typ Anschluß- Anschluß- Innen-Ø Innen-Ø Innen-Ø gewinde gewinde (nicht umsteuerbar) (umsteuebar) (BSP) (BSP) (mm) (mm) (mm) LZB 14 1/8 1/8 5,0 8,0 6,3 LZB 22 1/8 1/8 8,0 13,0 10,0 LZB 33/34 1/4 1/4 8,0 13,0 10,0 LZB 42 1/8 1/2 10,0 16,0 13,0 LZB 46 1/4 1/2" 10,0 16,0 16,0 LZB 54 3/8 1/2" 13,0 19,0 19,0 TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN 23

24 Luftaufbereitung Sicherer und zuverlässiger Betrieb wird durch den Einbau eines Luftfilters und Ölers in die Zuluftleitung (nur bei geölter Version) innerhalb von 5 m vor dem Motor gewährleistet. Es empfiehlt sich, auch einen Druckregler in die Druckluftwartungseinheit zu integrieren. Er hält den gewünschten Betriebsdruck konstant und dient gleichzeitig zur exakten Anpassung der Motorleistung an die Erfordernisse der jeweiligen Anwendung.! Achtung: Bei der Wahl einer Wartungseinheit ist darauf zu achten, dass alle Bauteile ausreichende Strömungsquerschnitte haben, so dass der Motor seine volle Leistung entwickeln kann. Schmierung Optimale Standdauer und Leistung erreicht ein Druckluftmotor, wenn er mit 50 mm 3 Öl je Kubikmeter (1000 Liter) Luft versorgt wird. Unzureichende Schmierung führt zu schnellerem Lamellenverschleiß und verminderter Leistung. Das folgende Beispiel zeigt, wie die Schmierölmenge für einen Motor mit bekannter Leistung berechnet wird. Beispiel: Ein nicht umsteuerbarer Motor vom Typ LZB 33, der mit Nennleistung betrieben wird, verbraucht 8,3 Liter Luft pro Sekunde. In einer Minute verbraucht er also 498 (8,3 x 60) Liter Luft, d.h. der Schmierölbedarf ist: 498/1000 x 50= 25 mm 3 /min. Ein Nebelöler müßte in diesem Fall auf 2 Tropfen Öl pro Minute (1 Tropfen = 15 mm 3 ) eingestellt werden. Das verwendete Öl sollte bei der Betriebstemperatur des Motors eine Viskosität zwischen 50 und 300 x 106 m 2 /s haben. 24 TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN

25 Wegeventile Mit diesen Ventilen wird ein Motor gestartet oder gestoppt oder seine Drehrichtung verändert. Es ist üblich, ein sogenanntes 5/3- Wegeventil zur Steuerung eines umsteuerbaren Motors zu verwenden. Für einen nicht-umsteuerbaren Motor nimmt man ein 3/2- Wegeventil. Die Ventilbezeichnungen beziehen sich auf die Anzahl der Anschlußöffnungen und die der Schieberstellungen. Ein 5/3 - Wegeventil hat demnach 5 Anschlußöffnungen und 3 Stellungen. Bei der Auswahl der Ventile ist auf die Durchflußmenge zu achten. Sie ist für die Leistung von großer Wichtigkeit und muß immer dem Luftverbrauch der Motoren entsprechen. Ventilsymbole für Schaltpläne Installationsbeispiele Typische Schaltpläne für LZB- und LZL-Motoren, zusammen mit den dazugehörigen Filtern, Reglern, Ölern und Geräuschdämpfern. LZB Schaltplan nicht umsteuerbar umsteuerbar A = Filter B = Druckregler C = Öler D = Schalldämpfer E = 5/3 Wegeventil F = Druckluftmotor G = 3/2 Wegeventil1 Die Drehrichtung dieses umsteuerbaren Druckluftmotors wird manuell über ein hebelbetätigtes 5/3 Wegeventil gesteuert. Die Wartungseinheit versorgt den Motor nicht nur mit sauberer Luft und ausreichender Schmierung, der Druckregler kann auch die Leistung des Motors regeln. TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN 25

26 LZL Schaltplan Nicht umsteuerbar mit 3/2 Wegeventil Umsteuerbar mit 5/3 Wegeventil in geschlossener Mittelstellung Umsteuerbar mit 5/3 Wegeventil in offener Mittelstellung A = Filter B = Druckregler C = Öler D = Geräuschdämpfer E = 5/3 Wegeventil F = Druckluftmotor G = 3/2 Wegeventil LZL-Motoren haben eingebaute Drosseln in den Anschlußöffnungen. Eine kleinere Drossel ist im Zuluftanschluß. Im Umkehrbetrieb muß die gleiche Drossel wie in der Abluftöffnung eingestzt werden. Die Drosseln müssen vor den Steuerventilen in den Anschlußöffnungen sitzen. 1 = Eingangsdrossel 2 = Ausgangsdrossel 26 TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN

27 Anhang Planetengetriebe sind in extrem kompakten Gehäusen untergebracht, wo sie ihre ganze Leistungsdichte, hohe Drehmomente und einen außergewöhnlich hohen Wirkungsgrad voll ausspielen. Die Hauptbauteile eines Planetengetriebes sind: das Sonnenrad, die Planetenräder, der Zahnkranz und der Planetenschaft (Abtrieb). Die Getriebeübersetzung wird nach folgender Formel berechnet: i = 1 + Z3/Z1, Z1 ist die Zähnezahl des Sonnenrades und Z3 die Anzahl Zähne des Zahnkranzes. n 0 n i Stirnradgetriebe werden normalerweise mit LZL-Lamellenmotoren bestückt und haben in der Grundausführung zwei Zahnräder, eines mit hoher (primär) und eines mit niedriger Drehzahl (sekundär). Die Getriebeübersetzung ist abhängig von der Zähnezahl des Primär- und Sekundärzahnrades und wird nach folgender Formel berechnet: i = n1/n2 = Z1/Z2. n1 ist die Primär- und n2 die Sekundärdrehzahl, Z1 ist die Zähnezahl des Primär- und Z2 die Zähnezahl des Sekundärzahnrads. Hohe Gertriebeübersetzungen benötigen immer große Sekundärzahnräder, darum werden bei hohen Übersetzungen mehrstufige Getriebe eingesetzt. Schneckengetriebe haben den Abtriebsschaft um 90 Grad versetzt zum Primärschaft und zwar unter der Primärschaftmitte. Der Primärschaft ist verbunden mit der Schnecke. Die Schnecke treibt das Schneckenrad. Sie ist verbunden mit dem Abtriebsschaft. Schneckengetriebe unterscheiden sich durch die Selbsthemmung von Stirnradgetrieben. Diese Selbsthemmung blockiert den Abtriebsschaft im abgeschalteten Zustand und wirkt wie eine Bremse. Je höher die Getriebeübersetzung ist, um so höher ist die Selbsthemmung. Bei einer Übersetzung über 60:1 wird eine zuverlässige Selbsthemmung erreicht. Die Selbsthemmung ist das Ergebnis des niedrigen Wirkungsgrades der Schneckengetriebe. Der Wirkungsgrad wird mit steigender Übersetzung niedriger, das Startmoment eines Schneckengetribes ist niedriger als bei einem vergleichbaren Stirnradgetriebe. Die Schneckengetriebe können mit zwei Abtriebsschäften (einen rechts u. links) bestückt werden. Die Schneckenbetriebe werden mit LZL-Lamellenmotoren als Antrieb geliefert r/min Z 1 Z r/min TASCHENBUCH DRUCKLUFTMOTOREN 27

28 Recyclable paper. Jetlag 2002:1. Printed in Sweden