Fluidtechnische Aktoren - thm.de · PDF fileProf. A. Büngers SS 2012 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 2 Aktorik, SS 2011 Prof. A. Büngers 3 Markt & Trends Fluidtechnik(Pneumatik

Prof. A. Büngers SS 2012

Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 1

Aktorik, SS 2011 Prof. A. Büngers 1

Fluidtechnische Aktoren

Signalfluss in der ProportionalhydraulikSignalfluss in der Proportionalhydraulik

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Aktorik, SS 2011 2Prof. A. Büngers


2 Fluidtechnische Einrichtungen

3 Pneumatik Aktoren

4 Hydraulik Aktoren

1 Physikalische Grundlagen1 Einführung1 Physikalische Grundlagen1 Einführung




Markt & TrendsFluidtechnik (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 (innerhalb von 10 Jahren um mehr als 23% gestiegen bis 2007)

Deutschland hat einen Welthandelsanteil von 33%.

Hydraulik70%

Pneumatik30%

Quelle: Fachverband Fluidtechnik im VDMA


Position deutscher Anbieter im Weltmarkt

12%

46%22%

20%

Weltmarktführer

Top FiveObers Segment

Mittelfeld

Von den deutschen Fluidtechnik-Unternehmen sehen sich 12 %als Weltmarktführer, fast die Hälfte (47%) unter den Ersten 5.






3 Pneumatik Aktoren

4 Hydraulik Aktoren

1 Physikalische Grundlagen1 Einführung



Fluidtechnische Aktoren Signalfluss




Fluidtechnische Aktoren Fluide

Die fluidtechnischen Aktoren übertragen genau wie die elektro-magnetischen 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 Druck-medium eingesetzt. In der Fördertechnik kommen auch andere Flüssigkeiten und Gase zum Einsatz.

Die verschiedenen Medien werden unter dem Begriff Fluid zusammengefasst.


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 Verbrennungs-motoren angetrieben werden.

Die zugeführte Leistung Pzu = U • I bzw. Pzu = B • H (Heizwert H, Brennstoff-strom 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 Flüssig-keit 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 Drehbe-wegung P22 = M2 • ω2 abgeben.




Energiefluss in fluidischen Antrieben

Elektro-mechanisch

mechanisch-fluidisch

fluidisch-fluidisch

fluidisch-mechanisch

Pzu =B • H

Pzu =I • U

P22 =M2 • ω2

P1 =M1 • ω1Ph = Q • ∆p

Pumpe Ventil

Elektro-motor

Antrieb

Arbeits-maschine

Verbrennungsmotor


Fluidtechnische Aktoren Hydraulikkreislauf (Beispiel)

Druck-begrenzungs-

ventil

4/3-Wegeventil

Pumpe

Reservoir

Motor

Schubmotor

Drehmotor

Rückschlagventil

Hydrospeicher

M

Antrieb





Symbole und Normen in der Pneumatik und der

Hydraulik

Krafterzeugung Energiewandler Technische Ausführung

Pneumatik

Überdruckstellantrieb

Unterdruckstellantrieb

StellzylinderMembranantriebDruckluftmotor*)

Membranantrieb

HydraulikÜberdruckstellantrieb Stellzylinder

Hydromotor*)


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 Bau-

teilen.

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




Anzahl der Recht-ecke = Anzahl derSchaltstellungen

2/2-Wegeventil2 Schaltstellungen

2 Anschlüsse


3 Anschlüsse4/2-Wegeventil

2 Schaltstellungen4 Anschlüsse


4 Anschlüsse

Druckbegren-zungsventil

Druckregel-ventil

Rückschlag--ventil

Drosselrück-schlagventil

Wegeventile Druckventile

Sperrventile



Symbol Benennung Symbol Benennung

Stromventil Ventilbetätigung

Drosselventil mit Druckknopf

Belüfteter Behälter,TankSpeicher

mit Tastrolle

mit Pedal

mit Feder

mit Taster

durch Elektromagnet





Symbole und Normen in der Pneumatik und der HydraulikSymbol Benennung Symbol Benennung

Pumpen und Motoren Zylinder



Steuerung von fluidtechnischen

Aktoren




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.


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).




Fluidtechnische Aktoren Druckventile

Druckbegrenzungsventil Druckreduzierungsventil

Steuerschieber

Tank (Hydraulik)Umwelt (Pneumatik)

FlächeA

p

Steuerschieber

FlächeA

p

p1

Bei steigendem Druck (p) wird der Schieber entgegen der Federkraft nach unten be-wegt. � Federkraft legt Druck fest!

Federkraft wird durch den Druck p1 • A erhöht, damit legt die Federkraft die Differenz p und p1fest. (Vergleich: Zehnerdiode)


Wegeventile als EnergiestellerWegeventile 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




Wegeventile als EnergiestellerBeispiel Kugelsitz- & Schieberventil (Hydraulik)

R

A

P

R

A

P

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

(Zufluss)

(Arbeits-anschluss)


Anschluss- & Kurzbezeichnungen für Wegeventile (5/2 Wegeventil)

315

4 2

1214 a b

Wegeventil

Anzahl der Anschlüsse

Anzahl der Schaltstellungen

Schaltkreis-nummern

Bauteil-kennzeichnung

Bauteil-nummer

5 2 6 V 7




Wegeventile als EnergiestellerBeispiel Schaltsymbol (Hydraulik)

5/3-Wegeventil5 Anschlüsse3 Schaltstellungen

1. Zahl = Anzahl der gesteuerten Anschlüsse

2. Zahl = Anzahl der Schaltstellungen

Buchstaben-Kennzeichnung

Öffnung oder Anschluss

P Druckanschluss/ Zufluss

A, B, C Arbeitsleitung

R, S, TEntlüftungsleitung/

Abfluss

X, Y, Z Steueranschlüsse

Die Anschlüsse der Wegeventile werden bei hydraulischen Systemen durch Buchstaben gekennzeichnet

Arbeits- und Steuerleitungen

1 2 3

P

BA


Beispiele (Pneumatik)5/2 & 3/2-Standardansteuerungen

3/2-Standardansteuerung, handbetätigt mit Federrückstellung für einfach

wirkender Zylinder

5/2-Standardansteuerung, elektromagnetische Ansteuerung

für doppelwirkende Zylinder




Schaltbeispiel

In der Abbildung ist ein Schaltplan dargestellt, in dem der doppelt wirkende Zylinder 1A1von 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.


Wegeventile als EnergiestellerSchalt-, Proportional- und Servoventile

1. SchaltventileSchaltventile haben keine Zwischenpositionen, sondern nur fest definierte Stellungen, die überwiegend durch Anschläge realisiert werden. An diesen Ventilantrieben werden keine großen Anforderungen gestellt.

2. ProportionalventileDie Ventilverstellung bei Proportionalventilen wird über Elektromagnete realisiert. Hierbei ist die Magnetkraft proportional zum Steuerstrom. Aufgrund von Klemmkräften durch den Mag-neten 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. ServoventileDie Servoventile besitzen dagegen eine Verstärkerstufe, die eine höhere Leistungsver-stärkung und eine höhere Dynamik (Eckfrequenz > 100 Hz) bieten. In diesen Ventilan-trieben wird eine Lagerregelung des Ventilschiebers eingesetzt, wobei sowohl mechanische als auch elektrische Lagerrückführungen Verwendung finden.




Wegeventile als EnergiestellerProportionalventil

Proportionalventil ohne Positionsregelung

I

P = 0 P0Elektromagnet

Proportionalventil mit Positionsrege-lung und integrierter Elektronik


Mechanisch-hydraulische Wandler als Steuerelemente in einem Servoventil

Steuerschieber Strahlrohr

Düsen-Prallplatte

Schieberauslenkung durch Proportionalmagnet

d = 4...12 mmymax = +/-1...+/-4 mmp = ...350 bar

= 5...200 1/min•V

di = 0,25...0,5 mmymax = +/-60...+/-75 mmp = ...350 bar

= 0,3...2,5 1/min•V

di = 0,12...0,2 mmymax = +/- 0,47 mmp = ...210 bar

= 0,1...2,5 1/min•V

Strahlauslenkung durch Torque-Motor

Prallplattenauslenkung durch Torque-

Motor/Tauchspule




Eigenschaften fluidtechnischer Aktoren

� große Stellkräfte � (zusätzliche) Hilfsenergieerzeuger not-wendig

� große Stellbereiche � komplexe Systemstrukturen erforderlich anspruchsvolle Automatisierung

� hohe Leistungsdichte � zum Teil teure Servokomponenten (z.B. Ventile)

� direkte Erzeugung linearer Bewe-gung

� eingeschränkte Positioniergenauigkeit

� kein Energieumsatz im statischen Betrieb

� Geräuschbildung

� robuster Aufbau

VorteileVorteile NachteileNachteile




3 Pneumatik Aktoren

4 Hydraulik Aktoren


3 Pneumatik Aktoren




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.


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.




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


Druckluft als Arbeitsmedium

� Beim Einsatz von Druckluft sind wichtige physikalische Eigenschaften zu berück-sichtigen:� Dichte (druck- und temperaturabhängig)� Kompressibilität� Viskosität� Feuchte der Luft� Druckverluste




Druckluft als ArbeitsmediumDichte

Die Dichte (ρ) ist abhängig vom Druck und von der Temperatur:Zustandsgleichung für Gase:

TRmVp ⋅⋅=⋅

V

m=ρ

TR

p

⋅=ρ

mit:

p: = Druck

V: = Volumen

m: = Masse

R: = massebezogene Gaskonstante

T: = Temperatur

ρ: = Dichte

�

�

�

� Norm-Atmosphäre:

� 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


Druckluft als ArbeitsmediumKompressibilität

Die Kompressibilität (Verdichtung, Komprimierung) ver-ringert das Volumen und erhöht die Dichte eines Stoffes. Es wird von einem kompressiblen Stoff gesprochen, wenn die Druckveränderungen merkliche Dichteänderungen her-vorrufen (wie z. B. bei Gasen).

Kompressibilität hat, bezogen auf Luft zwei Auswirkungen:� ein abgeschlossenes Luftvolumen ist elastisch� ein unter Druck gebrachtes Luftvolumen speichert

Energie.




Druckluft als ArbeitsmediumViskosität

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 dickflüs-siger ist das Fluid; je niedriger, desto dünnflüs-siger 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 gering-fügig, sie nimmt sogar bei höheren Tempera-turen zu.

Öl

Luft

TemperaturVis

kosi

tät


Druckluft als ArbeitsmediumViskosität

Vorteil und Nachteile einer geringen Viskosität

Vorteile: - geringe Reibungsverluste

- hohe Strömungsgeschwindigkeiten ohne

großen Druckverlust

Nachteile: - hohe Leckverluste bei kleineren Undichtig-

keiten, niedrige viskose Dämpfungskräfte

(System neigt zu Schwingungen).




Druckluft als ArbeitsmediumFeuchte

Temperatur

U = 100% = qm

U = 70%

U = 50%

q mSä

ttig

ungs

men

ge

Bei Anwendung von Druckluftaktoren spielt die Feuchte der Luft eine entscheidende Rolle.Die Aufnahmefähigkeit der mit Wasserdampf gesättigten Luft in Abhängigkeit von der Tem-peratur kann wie in der Tabelle 1 gezeigt, wiedergegeben werden.Ferner ist die Definition der absoluten Luft-feuchtigkeit a wichtig:

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

abs. Luftfeuchtigkeit a:Wasserdampfmenge

m3a =

mm qa

U

q

aU

1%100 ≈⇒⋅=rel. Luftfeuchtigkeit U:


Druckluft als ArbeitsmediumFeuchte

� 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 auf-nehmen, wie 1 qm atmosphärische Luft; d. h. Sättigungs-menge 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.





DruckluftmotorenFluidtechnische Motoren wandeln hydraulische

oder pneumatische Energie in mechanische

Energie um!

Es werden unterschieden:

� Rotationsmotoren

� Translationsmotoren


DruckluftmotorenEigenschaften

� große Drehzahlauswahl;

� Drehrichtung einfach veränderbar;

� Wartungsaufwand gering;

� Überlast stellt kein Problem dar;

� kleine Bauweise ⇨ geringes Gewicht;

� Stufenlose Regelung von Drehzahl und Drehmoment.




DruckluftmotorenAufbau und Funktion

� Kolbenmotor

� Lamellenmotor

� Zahnradmotor

� Turbinenmotor

Druckluftmotoren werden in Form von Lamellen-, Zahnrad-, Kolben-, und Turbinenmotoren hergestellt. Die am häufigsten eingesetzten Druckluftmotoren sind die Lamellen-motoren!


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




� Ideal für explosionsgefährdete Räume

� Leichte Laufrichtungsänderung

� Robust

� Einfacher Einbau

Charakteristik eines Druckluftmotors

Der Druckluftmotor ist einer der robustesten

und vielseitigsten Antriebe, die dem Anwen-

der 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 !


Turbinenmotor

� Leistungsbereich: 0,01 bis 18 kW

� max. Drehzahl: 500.000 U/min

� spez. Luftverbrauch: 30 bis 60 l/kJ

� Der Turbinenmotor bietet sehr hohe Drehzahlen von z. B. 100.000 U/min oder auch weit darüber.

� Anwendungen bei Innenschleifspindeln und Bohreinheitenfür Bohrungen im Durchmesserbereich um 1 mm.

� Zu früheren Zeiten sehr häufig in der Dentalmedizin bis zu Drehzahlen 150.000 U/min.




Kolbenmotor

Die Leistung von Kolbenmotoren ist abhängig:� vom Eingangsdruck� von der Anzahl der Kolben� von der Kolbenfläche� von der Hub- und Kolbengeschwindigkeit

�Leistungsbereich: 1,5 bis 30 kW

�max. Drehzahl: 6000 U/min

�spez. Luftverbrauch: 15 bis 23 l/kJ

�Arbeitsräume/ Umdr.: 4 bis 6


Zahnradmotor

� Leistungsbereich: bis zu 44 kW



� Arbeitsräume/Umdr.: 10 bis 25

� Leistungsbereich: bis zu 44 kW



� Arbeitsräume/Umdr.: 10 bis 25

Der Zahnradmotor wird überwiegend im Bereich der Schwerindustrie und im Bergbau eingesetzt.




Lamellenmotor

�Leistungsbereich: 0,1 bis 18 kW

�max. Drehzahl: 30.000 U/min

�spez. Luftverbrauch: 25 bis 50 l/kJ

�Arbeitsräume/ Umdr.: 2 bis 10

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 im

Uhrzeiger-sinn

Anschluss gegen den

Uhrzeiger-sinn


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 Zylinder-

kammer in verschieden große Arbeitsräume.

� Aufgrund der Fliehkraft und durch Druckluft unterstützt, werden die

Lamellen gegen die Zylinderwandung gepresst und dichten die einzelnen

Arbeitsräume ab.




Aufbau und Funktion

1. Zylinderscheibe2. Rotor3. Lamelle4. Zylinder5. Zylinderscheibe

1. Zylinderscheibe2. Rotor3. Lamelle4. Zylinder5. Zylinderscheibe

Der Grundaufbau eines Lamellenmotors besteht aus nur wenigen Komponenten.

Der Grundaufbau eines Lamellenmotors besteht aus nur wenigen Komponenten.

3

3

3

3

3

42 Quelle: Atlas-Copco


Aufbau und Funktion

Quelle: Atlas-Copco

Funktionsprinzip eines Druckluftlamellenmotors

Umsteuerbare Motoren haben drei Anschlüsse




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 bentspricht 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 vor-wärts treibt, kommt von den auf die Lamellen 1 und 2 wirkenden Kräften.Ein relativ einfaches Prinzip, bei dem die Druckenergie von Kammer zu Kammerin eine Drehbewegung des Rotors umgesetzt wird.


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

Anzahl der Lamellen in Motoren für unterschiedliche AnwendungenQuelle: Atlas-Copco




Leistung eines Druckluft - Motors

Die Leistung eines Druckluftmotors hängt vom Fließ-

druck 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.

Die Leistung eines Druckluftmotors hängt vom Fließ-

druck 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.


Leistungskurve & Arbeitspunkt

Leistungskurve

Der Schnittpunkt der Drehmoment-und der Drehzahlkurve ist der

Arbeitspunkt.

Drehzahl (U/min)

Drehmoment[Nm]

Leistung[kW]

Drehmoment[Nm]

Drehzahl (U/min)

max.Leistung

Nennmoment

Arbeitspunkt

Luftverbrauch (l/s)

Dreh-Moment

Luftverbrauch

Leistung

Quelle: Atlas-Copco




Luftverbrauch & Anlassmoment

Der Luftverbrauch wird in l/s ange-

geben. Die Luftverbrauchsangaben

beziehen sich auf den Fließüberdruck

von 6,3 bar und meinen das Luft-

volumen im entspannten (atmos-

phärischen) Zustand. Das gilt für

alle Pneumatikkomponenten.

LuftverbrauchAnfahr-moment

[Nm]

Min. Anfahrmoment

Das Anfahrmoment ist abhängig von der Lamellenposition

Winkel

Anlaufmoment

Quelle: Atlas-Copco


Methode zur Änderung der MotorleistungLuftdrosseln und Druckregler sind zwei typische Regelmethoden zur Veränderung der Motorleistung.Welche Methode angewandt wird, hängt von der Anwendung ab.

Drehmoment[Nm]

Drehmoment[%]

Drehzahl (U/min) Drehzahl 100%

Drosselung Druckregelung

Quelle: Atlas-Copco




Leistungsangaben in Katalogen

Die in Motorenkatalogen von

z. B. Atlas Copco angegebenen

Leistungsdaten gelten bei Be-

triebsdrücken von 6,3 bar.

Die Motordaten gehen aus

den jeweils beigestellten Dia-

grammen hervor.

Dreh-moment [Nm]

Leistung[kW]max.Leistung

Nenn-moment [Nm]

Drehzahl (U/min)

Luftverbrauch (l/s)

Dreh-Moment

Luftverbrauch

Leistung

Quelle: Atlas-Copco


Wahl des passenden MotorsUnterschiedliche 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.

Dre

hm

om

en

t [

Nm

]

Drehzahl (U/min)

� kleines Anfahrmoment� hoher Luftdruck� niedrige Beanspruchung der

Getriebe� hohe Lamellenabnutzung

� idealer Betriebsbereich� durchschnittliche Abnutzung

der meisten Teile

� hohes Anfahrmoment� niedriger Luftverbrauch� hohe Getriebeabnutzung� niedrige Lamellenabnutzung

Quelle: Atlas-Copco

LebensdauerDie Lebensdauer eines 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. 4000 Std.

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.





PneumatikzylinderEin 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)


Einfach wirkende Pneumatikzylinder

Gehäuse Kolben Rückholfeder

Kolbendichtung

Luftzufuhr

FBeschl.

FLast

FReibung

FFeder.

Ak

pS

pa

Anwendung finden einfach wirkende Pneu-

matikzylinder dort, wo lediglich eine Hub-

richtungs-Arbeit verrichtet wird. In Ab-

hängigkeit der Hubrichtung wird die ent-

sprechende Kolbenseite mit Druckluft

beaufschlagt.

Das Zurückführen in die Ausgangsposition

wird in Form einer Rückstellfeder realisiert.

Symbol

Einfach wirkender Pneumatikzylinder




Zweifach wirkende Pneumatikzylinder

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.

3 6

4 5 789

12

1 = Zylinderrohr, 6 = Lagerbuchse2 = Bodendeckel, 7 = Abstreifring3 = Lagerdeckel, 8 = Doppeltopf-4 = Kolbenstange, manschette5 = Nutring, 9 = O-Ring


Sonderbauformen (1)Trotz vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von einfach- und zweifach wirken-den Zylinder in der Automatisierungstechnik, gibt es eine Vielzahl von Problemstellungen, die Sonderzylinder verlangen. Die nachfolgende Auflistung gibt einen Überblick über Sonderzylinder:

MembranzylinderEinfach wirkender Zylinder für kurze Hübe; sie besitzen keine beweglichen DichtungenAnwendungen z. B. bei Spannvor-richtungen

RollmembranzylinderEinfach wirkender Zylinder für kurze Hübe; sie besitzen ebenfalls keine beweglichen Dichtungen




Sonderbauformen (1)

TandemzylinderZylinder mit hohen Kräften; bei gleichem Kolbendurchmesser annähernd Verdopplung der Kraft

Zylinder mit EnddämpfungZylinder über 200 mm Hub sollten eine Dämpfung besitzen.

Dämpfungskolben

DruckhammerVerwendung für oszillierende Schlagbe-wegungen auf ein Werkzeug z. B. für Gesteinsarbeiten


Sonderbauformen (2)

SchlagzylinderVerwendung in Pressen, Stanzen, Schmieden und Vorrichtungen zum Nieten

Zahnstangenzylinder & DrehzylinderAnwendungsbeispiele für diese Art von Zylinder sind: Wenden von Werkstücken, Biegevorrichtungen, Betätigen von Stell-organen u. a. für begrenzte Drehbe-wegungen.

Symbol




Sonderbauformen (3)

Pneumatischer MuskelDer Pneumatische Muskel ist ein Kontraktions-system, der sich bei Innerdruck zusammen-zieht. Durch den Druck wird in einer Gitter-struktur in Umfangrichtung verformt und er-zeugt eine Zugkraft in Achsenrichtung.

Anwendungen:Hebeeinrichtungen, Verstelleinrichtungen Zug-elemente u. a.

Lieferbar sind diese Bauteile bis zu einer Länge von 30 m.


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.

Pneumatischer AktorenVorteile




Pneumatischer AktorenNachteile

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 entsprechen-der Regelungen dauerhaft gehalten werden; hohe Kompressibili-tät, d.h. geringe Laststeifigkeit;

�Wirkungsgrad bei pneumatischer Leistungsübertragung niedrig�Bei geölten Verbraucher ist der Aspekt der Umweltfreundlichkeit

hinfällig;�Lärm, durch ausströmende Luft.




3 Pneumatik Aktoren

4 Hydraulik Aktoren


4 Hydraulik Aktoren




Hydraulische AktorenDie meisten hydraulischen Energiewandler arbeiten nach dem hydro-statischen Prinzip. Eine Druckbilanz in einem hydraulischen System entscheidet über einen hydrodynamischen (Kraftentstehung: Masse X

Beschleunigung) oder einem hydrostatischen (Kraftentstehung: Kraft X

Fläche) Betrieb.

Druckbilanz:

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.

20

2vppp dynstathydr

ρρ +=+= V = Strömungs-geschwindigkeit

ρ = Dichte


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)




Hydraulische AktorenAnwendungsfelder (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)


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.




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;


� 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 Zylin-

ders 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 HydraulikventilenBeispiel: 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 Leistungs-verstärkung von mehr als 105 entspricht.

Steifigkeit und Leistungsverstärkung




Größenvergleich zwischen elektrischen & hydraulischen Motoren

Gleichstrommotor Drehstrommotor Hydraulikmotor

Masse

Einbau-größe

166

145

Die jeweiligen Motoren besitzen die gleiche Leistung!


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 Wirkungs-grad und die Geräuschemission (Lp in dB (A)).

Pumpen und Drehantriebe

Wie bei elektrischen Maschinen gleicher Bauform, die Umwandlung elektrischer in mecha-nische 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




Zahnradpumpe/-motorDie nachfolgend vorgestellten Bauformen gelten für Hy-draulik Pumpen. Die Erläuterungen treffen jedoch auch für die Motoren zu, es ist lediglich das Wirkprinzip umzu-kehren.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:

mit: m = Modulz = Zähnem•z = Teilkreisdurchmesserb = Radbreitec = Kopfhöhen = Drehzahl

ncbzmQ th ⋅⋅⋅⋅⋅= π

Außenzahnradpumpe


Flügelzellenpumpe/-Motor

Flügelzellenpumpe und –getriebe mit geschlossenem Kreislauf

Bei einer Flügelzellenpumpe sind in einem Zylinder am Umfang rechteckige Flügel (Zellenwände) radial beweglich angeordnet. Durch die Drehbewe-gung des Rotors dichten die Zellenwände zur Gehäusewand ab. Es bildet sich eine Saug- und eine Druckseite. Durch Verstellen der Rotor-Exzentri-zität e kann der Förderstrom beeinflusst werden.

Saugseite

Druckseite

GehäusewandRotor Motorseite Saugseite Pumpenseite

Druckseite




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.


Axialkolbenmaschinen (1)

Axialkolbenmaschinen sind Hubkolbenmaschinen , bei denen die Kolben parallel zur Drehachseangeordnet sind. Sie werden unterschieden dadurch, welche Teile gegenüber der drehendenWelle abgewinkelt sind, und welche Teile sich mit der Welle drehen.

TaumelscheibenmaschineTaumelscheibenmaschine fest

Bei der Taumelscheibenmaschine dreht sich die Taumelscheibe mit der Welle, während die Kolben in einem feststehenden Gehäuse untergebracht sind.





SchrägachsenmaschineSchrägachsenmaschine

Hier ist das feststehende Gehäuse, in dem die Trommel mit dem Kolben rotiert,gegenüber der Antriebswelle abgewinkelt.

fest



SchrägscheibenmaschineSchrägscheibenmaschine

Die Kolben drehen sich, ähnlich wie bei einem Trommelrevolver, mit der Welle mit, während sie sich an der feststehenden Schrägscheibe abstützen.

fest




Linearantrieb (Translationsmotor)

Hydraulische Linearantriebe werden einfach- und doppelwirkend aufgebaut.Bei den einfachwirkenden Zylinder erfolgt das Ausfahren hydraulisch, währendäußere Kräfte (Gewichtskraft, Federkraft, Gegenzylinder) das Einfahren bewirken.

Einfachwirkender ZylinderEinfachwirkender Zylinder

Doppeltwirkender ZylinderDoppeltwirkender Zylinder

Druckanschluss A Druckanschluss B


Vorteile & Nachteilehydraulischer Antriebe

Vorteile

� Hohe Energiedichte

� Einfache Erzeugung hoher Kräfte/Momente

bei geringer Geschwindigkeit (Getriebe nicht

notwendig);

� Hohe Steifigkeit wegen der geringen Kom-

pressibilität und der Möglichkeit die Bauform

anzupassen;

� Geringe Kühlprobleme, da das Öl die Wärme

abführt.

Nachteile

�Zusätzliche Energieumwandlung führt zu

höheren Verlusten und zusätzlichen In-

vestitionskosten;

�Zum Teil stark nichtlineares Verhalten durch

Ventilsteuerung;

�Verschmutzung durch Öl bei undichten

Leitungssystemen;

�Temperaturunabhängigkeit des Verhaltens;

�Hoher Wartungsaufwand.




Gegenüberstellung der Fluide Luft und Öl

Quelle: G. Schenke, Mechatronik


Vergleich hydraulischer und pneumatischer Aktoren




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

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Fluidtechnische Aktoren - thm.de · PDF fileProf. A. Büngers SS 2012 Aktorik: Fluidtechnische Aktoren 2 Aktorik, SS 2011 Prof. A. Büngers 3 Markt & Trends Fluidtechnik(Pneumatik