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3. Fluidische AktorenLuft und Wasser sind neben der Sonne die Energiequellen, deren sich der Mensch währendseiner Entwicklungsgeschichte bedient. In der Geschichte wird über druckluftbetriebeneMaschinen und Wasserräder schon in der Zeit v. Chr. berichtet. Heute beträgt das Weltmarktvolumenin der Fluidtechnik (Hydraulik und Pneumatik zusammen) etwa 25 Mrd. €.Nach Jahren mit guten Wachstumsraten glauben Studien von Marktforschungsinstituten zuerkennen, dass das Entwicklungspotenzial der Fluidtechnik in den kommenden Jahren sicherschöpfen könnte. In der Branche wird kontrovers der Vormarsch der elektrischen Antriebein vielen Bereichen der Automatisierungstechnik diskutiert. Dabei wird von den Vertreternder Fluidtechnik die gesamte Darstellung aller Kosten und Leistungsdaten systematischbetrieben.Nach wie vor ist bei gesamter Darstellung die Leistungsdichte der Hydraulik oder dieDynamik und Lebensdauer der Pneumatik elektrischen Antriebsleistungen für vieleBewegungen trotz signifikant höherer Energiekosten überlegen.Es ist davon auszugehen, dass in Zukunft stärker von den Herstellern versucht wird, für jedeBewegungsaufgabe die bestgeeignete Energieform aus einer Angebotspalette mit mehrerenAlternativen anbieten zu können, und zwar idealerweise identisch bedienbar und einfachgegeneinander austauschbar. Die streckenweise dogmatisch anmutende Diskussion zwischen denverschiedenen Energieformen wird in diesem Prozess des Zusammenwachsens dem klassischenWettbewerb zwischen den Herstellern weichen. Von den künftigen Ingenieuren wird verlangtwerden, die spezifischen Eigenschaften aller Energieformen zu kennen, um optimale Lösungensystemunabhängig finden zu können.GegenüberstellungverschiedenerEnergieformenPneumatische KraftundEnergieübertragungHydraulische KraftundEnergieübertragungElektrische Kraft-undEnergieübertragungges. Wirkungsgrad niedrig niedrig mittelLeistungsbereich niedrig hoch hochLeistungsdichte mittel hoch niedrigFlexibilität mittel mittel hochWärmeentwicklung niedrig mittel hochÜberbrückung vonEntfernungenSicherheitgut schlecht sehr gutEnergiespeicherfähigkeitUmweltproblemeGefahren deselektrischen StromsSauberkeit sehr gut schlecht sehr gutTaktraten hohe niedrige hoheErzeugung vonLinear- und Rotationsbewegungeneinfach einfach aufwendigAnlagekosten niedrig mittel mittelEnergiekosten hoch mittel niedrigÜberlastschutzautomatisch durchSystemdruckdurch DruckbegrenzungsventileSicherungen,WärmeabschaltungAutomatisierbarkeit mittel mittel sehr gutG. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 30

Gegenüberstellung der Medien Luft und ÖlLuftKompressibilität hoch niedrigViskosität niedrig hochEnergiespeicherfähigkeit hoch niedrigLaststeifigkeit niedrig hochStrömungsgeschwindigkeiten hoch niedrigMediumTypische AnwendungenMotorenartunbegrenzt verfügbar,selbsterneuerndLeichtindustrie (Verpackung,Nahrungsmittel)ÖlKostenfaktor, Alterung,RückführungSchwerindustrie(Baumaschinen)Vergleich von Leistungsdichte verschiedener AntriebsenergienLeistung / MasseLeistung / VolumenW / kg in % W / dm 3 in %Dieselmotoren 150 – 200 58 70 – 150 10Elektromotoren 50 – 400 75 150 – 1500 70Druckluftkolbenmotoren 70 – 150 37 70 – 300 17Druckluftlamellenmotoren 300 100 1000 – 1200 100Hydraulikmotoren 600 – 800 230 2000 1803.1 Physikalische Grundlagen der Pneumatik und HydraulikDie überwiegende Zahl der Projektierungs- und Auslegungsrechnungen in der Fluidtechniklassen sich mit einem Grundwerkzeug an Definitionen, Erhaltungsgleichungen und darausabgeleiteten Strömungsgleichungen bewältigen. Analog zur Situation bei Festkörpern kannals Federkonstante von Gasen und Flüssigkeiten der sogenannte „Volumenelastizitätsmodul“ als Faktor zwischen Druck- und Volumenänderung bei konstanter Querschnittsfläche Adefiniert werden:l Vp (3.1)l E V E VolAls inkompressible Fluide bezeichnet man Stoffe, deren Dichte bei verschiedenen Drückennäherungsweise konstant bleibt. In der Technik fallen darunter typischerweise Wasser und Öl.Wasser besitzt einen Volumenelastizitätsmodul 2000 N/mm 2 . Um eine Wassersäule um1% zusammenzupressen, muss der Druck um 200 bar erhöht werden. Im Vergleich zu Stahlist Wasser etwa 100fach „weicher“.Mit dem Begriff kompressible Fluide bezeichnet man Stoffe, deren Dichte unter Druckveränderlich ist. In der Technik sind dies üblicherweise Gase (Druckluft, Prozessgase). DieDruck- und Temperaturänderungen des idealen Gases gehorchen Gl. 3.2:p V Rs m T mit m V (3.2)p = Druck des GasesV = Volumen des GasesR s = spezifische Gaskonstante m = Masse des Gases T = absolute Temperatur in KFür Luft bei Normaldruck beträgt der Volumenelastizitätsmodul 0,1 N/mm 2 . Damit istLuft rd. 20000fach „weicher“ als Wasser.G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 31

Ein System ist stationär, wenn es aus der Sicht des jeweiligen Betrachters keine Änderungüber der Zeit erfährt. Beispiel: Ein Auto wird konstant im Windkanal angeströmt. Aus derSicht des Fahrers stellt auch eine konstante Autobahnfahrt eine stationäre Strömung dar, ausder Sicht eines stehenden Beobachters ist ein vorbeifahrendes Auto dagegen instationär.Die Definition von „offenen“ und geschlossenen Systemen ist eine wichtige Festlegung in derThermodynamik. Bei „offenen“ Systemen ist Massenaustausch mit der Umgebung möglich,bei „geschlossenen“ Systemen soll gemäß dieser Definition nur Wärme oder Arbeit über dieSystemgrenzen ausgetauscht werden können.Zustandsänderungen in der Strömungsmechanik/Thermodynamik‣ Isotherme Zustandsänderung: Die Temperatur des Systems bleibt gleich. Dies bedeutet,dass beim Verdichten Wärme an die Umgebung abgegeben und beim Entspannen Wärmeaus der Umgebung aufgenommen wird – nur bei langsamen Vorgängen, die einenTemperaturausgleich zulassen –.‣ Isobare Zustandsänderung: Der Druck im System bleibt gleich. Bei Wärmezufuhr dehntsich das Medium aus und leistet Arbeit gegen die Umgebung, bei Abkühlungentsprechend umgekehrt.‣ Isochore Zustandsänderung: Das System besitzt feste Systemgrenzen, so dass keineVolumenänderungsarbeit anfällt. Alle zugeführte Energie geht in die innere Energie –Temperatur – des Systems.‣ Adiabate Zustandsänderung: Das System sei ideal isoliert. Jede mechanische Arbeit amSystem wird vollständig in innere Energie umgewandelt und umgekehrt. In der Praxiswird diese Zustandsänderung bei sehr schnellen Vorgängen näherungsweise erfüllt, da dieZeit für einen Wärmeaustausch mit der Umgebung nicht ausreicht.Da ideale Gase als kompressible Fluide bei der Erwärmung ihre Dichte ändern, geben sichdaraus gegenüber Festkörpern oder Flüssigkeiten Unterschiede in der sogenannten spezifischenWärmekapazität. Wenn ein Gasvolumen als Randbedingung konstanten Druck hat,wird es sich bei Erwärmung ausdehnen, d.h. mechanische Arbeit an die Umgebung abgeben.Dies entspricht einer isobaren Zustandsänderung und führt zur spezifischen isobaren Wärmekapazitätc p .Ist das Gasvolumen dagegen in einem festen Raum eingespannt, (isochore Zustandsänderung),so ist eine geringere Energiemenge nötig, um dieselbe Temperaturerhöhung zuerreichen, da keine mechanische Arbeit abgegeben werden muss. Mit dieser Zustandsänderungergibt sich eine geringere spezifische isochore Wärmekapazität c v .Das Verhältnis der beiden Wärmekapazitäten wird mit dem Begriff Isentropenexponent (oderauch Adiabatenexponent) bezeichnet:cp (3.3)cvDie Differenz der beiden spezifischen Wärmekapazitäten entspricht der spezifischen GaskonstanteR s für das Fluid:R c - c(3.4)spvWerte für Luft:c p = 1004 J/(kg·K) c v = 717 J/(kg·K) = 1,4 R s = 287 J/(kg·K)Für die Änderung vom Zustand 1 in den Zustand 2 gelten für das geschlossene System dienachfolgenden Gleichungen, wobei der Wärmestrom Q 12 und die Arbeit W 12 über dieSystemgrenzen mit angegeben sind.G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 32

Für isotherme Zustandänderungen (T = const.) gelten die Beziehungen nach Gl. 3.5:p V p V1Q12122p1 p1 V1 lnp2Für isobare Zustandänderungen (p = const.) gelten die Beziehungen nach Gl. 3.6:V1T1V TQ2122 m cp (T2- T )1WFür isochore Zustandänderungen (V = const.) gelten die Beziehungen nach Gl. 3.7:p1p2T TQ1122 m cv(T2- T )112WW1212Für adiabate Zustandänderungen (isoliert, dQ = 0) gelten die Beziehungen nach Gl. 3.8:Q1p V1120p2 V2WDer erste Hauptsatz der Thermodynamik, der die Erhaltung der Energie formuliert, sagt, dassdie Summe aller zu- bzw. abgeführter thermischer Energien (Wärme Q) und mechanischerEnergien (Arbeit W) der Änderung der inneren Energie eines geschlossenen, ruhendenSystems zwischen dem Zustand 1 und 2 entspricht:Q W U -(3.9)12 12 2 U1Der erste Hauptsatz der Thermodynamik muss für eines geschlossenes, bewegtes System umdie kinetische Energie (E = 0,5·m·v 2 ) und die potentielle Energie (E = m·g·h) ergänzt werden.Q W (U - U ) (E - E ) (E - E )(3.10)12 12 2 1 kin2 kin1 Bei Massenaustausch über die Systemgrenzen ergibt sich der 1. Hauptsatz der Thermodynamikzu:Q W ( me p dV) (U - U ) (E - E ) (E - E ) (3.11)Es wird hier zusätzlich die hinzukommende oder abgeführte Masse mit ihrer spezifischenEnergie (m·e m ) und die mit ihrer Masse in das System eingebrachte Verschiebearbeit (p·dV)berücksichtigt.Die Richtungseigenschaft von Prozessen wird durch die Zustandsgröße Entropie S beschrieben.Verschiedene Energieformen können ineinander umgewandelt werden. Die meisten Umwandlungsprozesseerfolgen mit Wärmeübertragung; dieses hat eine Entropiezunahme zur Folge,so dass der Prozess nur bedingt reversibel ist. Prozesse ohne Entropiezunahme (ohne Wärmeübertragung)sind vollständig reversibel.- Q12 - p (VT V1120 -11T22- V ) V1 -12p 1 V1V 1 -1V2pot2pot112 12m2 1 kin2 kin1 T2dQS T (3.12)T1 -1pot2-1pot1(3.5)(3.6)(3.7)(3.8)G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 33

Sperrventile lassen die Luft nur in eine Richtung durch, dies geschieht durchRückschlagventile und auch durch Ventile mit Sperr-Funktion.‣ Das Rückschlagventil besteht aus einem Trichter und aus einer Kugel. Kommt Druck vonder Seite aus der dies erwünscht ist, so drückt es die Kugel aus dem Trichter heraus unddie Luft kann ungehindert durch das Bauteil strömen. Kommt jedoch Luftdruck von derSeite, wo es unerwünscht ist, dann bewirkt der Luftdruck, dass die Kugel in den Trichtergepresst wird, somit kommt keine Luft durch dieses Bauteil.‣ Ventile mit Stopp-Funktion sind normale Wegeventile, die 3 Schaltstellungen haben, 2Arbeitsstellungen und eine Sperrmittelstellung, die durch Federn an beiden Seiten beiNichtbetätigung des Ventils immer eingenommen wird. Es gibt verschiedene Arten vonVentilen mit Stopp-Funktion, einige lassen in Mittelstellung keine Luft durch (Not-Aus),andere garantieren ein Entweichen der Luft, dass z. B. der doppelt wirkende Zylinder nochentlüftet wird.Druckventile vermindern oder vergrößern den Durchfluss beim Erreichen eines bestimmteneinstellbaren Ausgangsdruckes und halten diesen annähernd konstant.‣ Das 3/2-Wegeventil mit druckabhängiger Umschaltung und das Folgeventil (Druckzuschaltventil),öffnen erst nach Erreichen eines bestimmten Drucks, den die pneumatischeBetätigung ausübt. Dies wird realisiert durch eine einstellbare Feder, welche härter bzw.weicher eingestellt werden kann. Die pneumatische Betätigung muss genug Druck aufbringen,um das Ventil zum Schalten zu bringen.Stromventile beeinflussen die Durchflussmenge (Volumenstrom) der Druckluft durch dasVentil.‣ Drosselrückschlagventile werden für den Anschluss in doppelt wirkenden Zylindern fürdie Abluft eingesetzt. Die Steuerung der Abluft bewirkt eine Geschwindigkeitsregelungunabhängig von der Zylinderbelastung.‣ Drosselventile bei denen sich der Kolbenraum nur langsam mit Druckluft, fährt einZylinder nur langsam aus.‣ Drosselventile bei denen ein großer Luftraum (pneumatischer Speicher) vorhanden ist,wird durch die Einstellung des Ventils eine Zeitverzögerung erreicht. Erst wenn sich impneumatischen Speicher ein ausreichend hoher Druck aufgebaut hat wird das nachgeschalteteVentil pneumatisch betätigt.Proportionalventile sorgen dafür, dass ein veränderliches Steuersignal (in der Regel einelektrisches Signal) in ein dazu proportionales Ausgangssignal (proportionalen Durchflussbzw. Volumenstrom oder in einen proportionalen Druck) stetig umgewandelt wird.Bei Ventilen gibt es 2 bis 6 Schaltstellungen. Hauptsächlich werden in der Automatisierungstechnikwegen der Herstellungskosten nur 2 oder 3 Schaltstellungen verwendet. Wobei dieVentile mit 2 Schaltstellungen bei "normalen" Wegeventilen zum Schalten von Prozesseneingesetzt werden. Ventile mit 3 Schaltstellungen sind zusätzlich als Ventile mit Stoppfunktionausgelegt; sie können quasi als Not-Aus eingesetzt werden.Die Anzahl der Anschlüsse variiert zwischen zwei und sieben Anschlüssen. Bei 2/2-Wegeventilenfindet nur ein normaler Durchlass von 1 Druckluftanschluss nach 2 (Arbeitsanschluss)statt. Bei 3/2-Wegeventilen beispielsweise ist neben den zwei oben genanntenAnschlüssen noch ein Entlüftungsanschluss 3 verfügbar, der in der Lage ist, die Schläucheoder auch das ganze System zu entlüften. Diese 3/2-Wegeventile finden Anwendung z.B. beider Steuerung von einfachwirkenden Zylindern, aber auch zum Freischalten von "neuenWegen" des pneumatischen Systems.G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 36

Bei fünf Anschlüssen findet man einen Druckluftanschluss 1, zwei Arbeitsanschlüsse 4 und 2und zwei Entlüftungsanschlüsse 5 und 3. Die beiden Arbeitsanschlüsse werden zum Beispielbenötigt, um einen doppeltwirkenden Zylinder zu steuern, wobei einer den Zylinder auf dereinen Seite mit Druckluft beaufschlagt (dass er ausfährt) und ihn auf der anderen Seiteentlüftet (dass dieser ausfahren kann).Vier Anschlüsse findet man bei 4/2-Wegeventilen. Die Funktionsweise ist die gleiche wie beiden 5/2-Wegeventilen, jedoch wurden die zwei Entlüftungsanschlüsse durch einebauteilinterne Bohrung verbunden (Ein Druckluftanschluss + zwei Arbeitsanschlüsse + einEntlüftungsanschluss = vier Anschlüsse). Steueranschlüsse werden als Anschlüsse nichtmitgezählt. Steueranschlüsse werden z.B. mit 12, 14 bezeichnet. "14" bedeutet, dass einSignal an diesem Anschluss den Weg von 1 nach 4 freigibt.In der Pneumatik finden mechanische, elektronische, pneumatische und manuelleBetätigungen Anwendung.‣ Mechanische Betätigungen sind Stößel, Federn, Rolle, Rollenhebel. MechanischeBetätigungen werden von der Arbeitsmaschine selbst betätigt.‣ Bei elektronischer Betätigung wird ein Stromimpuls auf einen Elektromagneten imelektrisch betätigten Ventil gegeben. Die Welle im Ventil - welches Wege sperrt undöffnet - wird angezogen und somit einen Weg für die Luft geöffnet und ein andererverschlossen.‣ Bei pneumatischer Betätigung wird das Ventil durch die Druckluft betätigt. Zum Beispielwird durch die manuelle Betätigung eines Ventils der Arbeitsanschluss desselben geöffnetund der Druck gelangt zu einem weiteren Ventil, das durch Druckluft betätigt wird. Dieeben beschriebene Welle wird hierbei durch Druckluft in die gewünschte Positiongepresst. Dieses Beispiel wird auch als "Fernsteuerung" bezeichnet.Manuelle Betätigungen erfolgen durch Taster, Druckknöpfe, Hebel und Pedale. Diese werdenmit Muskelkraft betätigt. Die bereits angesprochene Welle wird in die gewünschte Richtungverschoben und somit eine andere Schaltstellung eingenommen.Auflistung einiger Schaltzeichen in der Pneumatik:PneumatikpumpeFilterDruckluftbehälterAbscheiderKompressorÖlerSpeicher, Gasflascheoder BehälterPneumatikmotorLufttrocknerG. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 37

KühlerHeizerWegeventil mit zweiSchaltstellungenWegeventil mit dreiSchaltstellungenein DurchflusswegTemperaturreglerSchalldämpferzwei gesperrteAnschlüssezweiDurchflusswegezwei Durchflusswege undein gesperrter Anschluss2/2-Wegeventil3/3-Wegeventil mitSperr-Mittelstellung3/2-Wegeventil5/3-Wegeventil mitSperr-Mittelstellung5/2-Wegeventil1 3Symbolische Funktion des 3/2-Wegeventils (gelb gekennzeichnet):3/2-Wegeventilhandbetätigtmit FederrückstellungDas aus zwei Quadraten bestehende rechtwinklige Schaltsymbol bezeichnet die zwei möglichenSchaltzustände. Die Anschlüsse (Leitungen) befinden sich an dem Quadrat, welches dieRuhestellung des Ventils darstellt. Um sich die „Betätigt“-Stellung vorzustellen, verbleiben dieLeitungen ortsfest und das rechteckige Schaltsymbol wird um ein Quadrat nach rechtsverschoben. In den Quadraten werden die Durchflussrichtungen durch Pfeile dargestellt.Verschlossene Wege werden durch Querstriche (T-Form) dargestellt. Die Anschlüsse werdendurch Ziffern dargestellt und zwar 1 für den Druckluftanschluss, 2 für die Arbeits- bzw.Zylinderzuleitungen, 3 für die Entlüftung bzw. den Auslass. Bei Ventilen mit mehr Anschlüssenbezeichnen die geraden Zahlen (2, 4) Arbeitsanschlüsse und die ungeraden (3, 5) die Entlüftungen.Die Zeichen für die Betätigungsart werden seitlich an die Quadrate gezeichnet, hierhandbetätigt mit Federrückstellung.Beim elektrisch betätigten 5/3-Wegeventil wirdüber den Anschluss 12 das rechteckige Schaltsymbolum ein Quadrat nach links verschobenund damit der Weg von 1 nach 2 freigegeben.Analog erfolgt durch Ansteuerung von Anschluss14 die Wegfreigabe von 1 nach 4.G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 3822 412 143 515/3-Wegeventil mit elektromagnetischerAnsteuerung und Mittelstellung durch Federn

Schaltzeichen von Sperr-, Strom- und Druckventilen und Messgeräten:Rückschlagventilgesteuertes RückschlagventilÖffnen wird bei AnsteuerungverhindertRückschlagventilfederbelastetAbsperrventilDrosselventilQuerschnitt konstantDrosselventilQuerschnitt einstellbarDruckregelventileinstellbarManometerVolumenstrommessgerätIn der Pneumatik spricht man allgemein von Arbeitsgliedern, da diese Systeme mechanischeArbeit verrichten. Zu den Arbeitsgliedern zählen:‣ Zylinder für geradlinige Bewegungen,‣ Zylinder mit Getriebe für Schwenkbewegungen,‣ Druckluftmotor für rotierende Bewegungen.In der Pneumatik unterscheidet man zwischen einseitig und beidseitig mit Druckluftbeaufschlagbaren Zylindern (doppeltwirkende, einfachwirkende Zylinder). Bei einseitigbeaufschlagbaren Zylindern erfolgt die Rückstellung des Zylinders in seine Ausgangsstellungmittels einer im Zylinder integrierten Feder, während bei beidseitig beaufschlagbarenZylindern Vor- und Rückhub durch entsprechende Steuerung des Druckluftstromes erfolgt.Schaltzeichen von Zylindern:Zylinderdoppelt wirkend,vereinfachte DarstellungZylindereinfach wirkendmit Rückhub-FederZylindermit beidseitiger DämpfungZylinderdoppelt wirkend mitzweiseitiger KolbenstangeZylinderdoppelt wirkendTeleskopzylinderdoppelt wirkendSchaltungen der Pneumatik:Im Gegensatz zu Logikschaltungen, die mit pneumatischen Elementen realisierbar sind, aberdurch den Einsatz der speicherprogrammierbaren Steuerungen zunehmend verdrängt wurden,sind Schaltungen zur gezielten Beeinflussung des Bewegungsablaufs – oft innerhalb eineseinzigen SPS-Takts – nach wie vor notwendig. Diese pneumatischen Schaltungen sind häufig einwichtiger Optimierungsansatz im praktischen Aufbau von Automatisierungseinrichtungen.Die billigste Ansteuerungsart für einfachwirkende Antriebe ist die 3/2-Standardansteuerung. Beikleinen Antrieben wird sie auch als direkte Ventil/Zylinderkombination angeboten.G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 39

Für doppeltwirkende Antriebe stellt die 5/2-Standardansteuerung die meistverbreitete Ansteuerungdar. Die elektromagnetische Ansteuerung erlaubt die direkte Ansteuerung aus einerSPS.2421 33/2-Standardansteuerunghandbetätigt mit Federrückstellungfür einfachwirkene Antriebe145 135/2-Standardansteuerungelektromagnetische Ansteuerungfür doppelwirkende AntriebeIn der Praxis werden häufig Ventile eingesetzt, die zwei 3/2-Ventilfunktionen in einer Ventileinheitmit 2 x 3/2-Funktion realisieren. Mit ihnen können alle 5/2- und 5/3-Ventilfunktionennachgebildet werden. Gebräuchliche Ausführungen sind:‣ 2 x 3/2-Ansteuerung zur Vermeidung des Anfahrrucks,‣ 2 x 3/2-Ansteuerung zum Positionieren in einer beliebigen Zwischenstellung.1441 32 x 3/2-Wegeventilmit Druckventil, welches das Hauptventil betätigtelektrisch betätigt mit FederrückstellungHandhilfsbetätigung durch Tippen122Wegeventile für große Kräfte, dieeine größere Zylinderfläche aufweisen,werden mit einem integriertenDruckventil gebaut, welches dasHauptventil betätigt. Elektrisch betätigteVentile werden auch mitunterschiedlichen Handhilfsbetätigungenrealisiert, die eine direkteBetätigung am Ventil ermöglichen.VereinzelerVereinzeler mitangebauten induktivenNäherungssensoren imeingebauten ZustandImmer wieder werden in der FabrikautomationTransfersysteme eingesetzt.Neben den mechanischen undelektrotechnischen Komponenten werdenhier auch pneumatische Aktoreneingesetzt. Pneumatische Vereinzelerwerden zum Stoppen eines odermehrerer auflaufender Werkstückträgeran der definierten Werkstückträger-Anschlagflächeverwendet. Indrucklosem Zustand geht der Vereinzelerdurch eine Feder in die Sperrstellungund der Werkstückträger wirdangehalten.G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 40

Mit Quertransporteinheiten werdendie Werkstückträger in Transfersystemenvon einem Transportband aufein anderes übergeben. Bestandteiljeder Quertransporteinheit ist einepneumatisch angesteuerte Hubeinheit.Hier kann die Transportrichtunggezielt beeinflusst und derWerkstückträger auf das entsprechendeNiveau des Transportbandesgehoben werden.Quertransporteinheit mit pneumatischer HubeinheitIn Transfersystemen werden die pneumatischen Aktoren und die elektrischen Sensoren häufigan sogenannte Ventilinseln angeschlossen. Ventilinseln können in alle gängigenFeldbussysteme und Ethernet über ein integriertes Terminal angebunden werden. In einerEinheit sind elektrische E/A-Module zum Anschluss der Sensorik und die pneumatischenKomponenten für die Ansteuerung verschiedenster pneumatischer Aktoren mittels Wegeventilenrealisiert. Neben der elektrischen Ansteuerung über ein Bussystem ist auch vor Ortdie Handhilfsbetätigung möglich. Sicherheit und Fehlererkennung wird durch LED-Anzeigevor Ort und Rückmeldung via Feldbus gewährleistet. Die Grundplatte und die Ventile sindstandardisiert. Mit Ventilinseln wird ein flexibler und modularer Aufbau mit den elektrischenund pneumatischen Komponenten erreicht. Alle Komponenten sind jederzeit schnell undeinfach umbau- oder erweiterbar und können den Gegebenheiten vor Ort angepasst werden.Ventilinsel HF03 mit 3 x 8-fach Input-Modul, Bus-Modul für Profi-Busund sechs 2 x 3/2-WegeventileG. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 41

3.3 Hydraulische AktorenIn der Hydraulik erfolgt die Leistungsübertragung durch das Fluid, in der Regel speziellesMineralöl, im zunehmenden Maß aber auch durch umweltverträgliche Flüssigkeiten, wieWasser oder spezielle Ester oder Glykol. Die übertragene Leistung ergibt sich aus denFaktoren Druck und Fluidstrom. Hydraulische Aktoren können eingeteilt werden in:‣ Hydrodynamische Antriebe arbeiten mit einer Pumpe und einer Antriebsturbine. DieDrehzahl- und Drehmomentwandlung geschieht über die kinetische Energie der Flüssigkeit.‣ Visco-Kupplungen übertragen Leistung durch viskose Reibung zwischen rotierendenScheiben.‣ Hydrostatische Antriebe wandeln primärseitig die mechanische Leistung der Antriebsmaschine(Elektro- oder Dieselmotor) durch eine Pumpe in hydraulische Leistung um.Diese Leistung wird in Verbrauchern wieder in mechanische Leistung umgeformt undzwar in Hydraulikzylindern in eine lineare Bewegung oder Hydromotoren in einerotatorische Bewegung. Hydrostatische Antriebe sind häufig die energetisch optimaleGetriebeart, wenn eine stufenlose Verstellung der abtriebsseitigen Geschwindigkeiterforderlich ist.Durch das Einleiten von unter Druck stehender Flüssigkeit in Zylinder werden die darinbefindlichen Kolben und Kolbenstangen in lineare Bewegung versetzt, die fürArbeitsvorgänge und zum Antrieb von Maschinen ausgenutzt wird. Auch rotierende Antriebekönnen durch Flüssigkeitsdruck realisiert werden, etwa mit dem Hydraulikmotor.Hydraulische Systeme ähneln prinzipiell den Antrieben der Pneumatik, bei der Druckluft zurKraft- und zur Signalübertragung verwendet wird, haben aber davon abweichendeEigenschaften. So wird in der Ölhydraulik immer ein geschlossener Kreis benötigt (Hin- undRücklauf), während in der Pneumatik die Abluft üblich über einen Schalldämpfer in dieUmgebung abgeblasen wird. Nur bei der Wasserhydraulik sind auch offene Kreisläufebekannt. Gegenüber der Pneumatik hat die Hydraulik den Vorteil, dass wesentlich höhereKräfte übertragen werden können und sehr gleichförmige und exakte Fahrbewegungenmöglich sind, da die Verdichtung der Hydraulik-Flüssigkeit so gering ist, dass sie beitechnischen Anwendungen kaum beeinträchtigend wirkt. Auf dem letzten Meter werden oftspezielle Hydraulikschläuche mit Hydraulikkupplungen verwendet.Vorteile hydraulischer Aktoren:‣ Die flexible Verbindung zwischen An- und Abtrieb bei hoher Leistungsdichte mit vergleichsweisekleinen Bauelementen für große Leistungen erlaubt eine optimale konstruktiveAnpassung an Raumvorgaben. Als Verbindung zwischen Motor und Pumpe dienenRohr- und Schlauchleitungen, die weitgehend frei verlegt werden können.‣ Geschwindigkeitsstellung des Abtriebes ist in sehr weiten Grenzen stufenlos bei großerDynamik realisierbar, wobei eine einfache Umkehr der Bewegungsrichtung möglich ist.‣ Lineare Abtriebsbewegungen können mit einfachen technischen Bauelementen bei sehrhohen Wirkungsgraden erzeugt werden.‣ Drehmomente und sehr große Kräfte können einfach erzeugt werden.‣ Druckbegrenzungsventile ermöglichen einen sicheren und schnell wirkenden Überlastungsschutz.‣ Realisierung parallel arbeitender linearer oder rotatorischer Abtriebselemente (Hydraulikzylinderoder Hydromotoren) mit einem Primärteil (Pumpe) in einem gemeinsamenSystem, dabei ergibt sich die Wirkung eines Differentials ohne weiteren Aufwand.G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 42

‣ Da das Fluid selbstschmierend ist und als Kühlmedium dienen kann, ist die Lebensdauerhydraulischer Komponenten hoch.‣ Wegen der geringen Kompressibilität der Hydraulikflüssigkeit sind gleichförmige Bewegungenmit hoher Stellgenauigkeit möglich.‣ Hydraulische Aktoren können aus dem Stillstand bei Volllast angefahren werden. DieÜberlastsicherung durch Druckbegrenzung und die Fehlersuche - Leckagen sind sichtbar -sind einfach.Nachteile hydraulischer Aktoren:‣ Bei hydraulischen Antrieben ist die Elastizität des Fluids, die unter Druck zur Kompressionführt, bei Antrieben mit hohen Anforderungen an die Gleichförmigkeit derGeschwindigkeit bei stark wechselnden Lasten problematisch.‣ Anforderung an die Filtrierung der Hydraulikflüssigkeit ist hoch.‣ Hohe Strömungsverluste im Inneren der hydraulischen Flüssigkeiten entwickeln Wärmeund dadurch verändert sich die Viskosität der Hydraulikflüssigkeit.‣ Nachteilig sind außerdem die Schaltgeräusche der Ventile, das geringe Spaltmaß beiHydraulikkomponenten und die Leckölverluste.Wegen ihrer spezifischen Vor- und Nachteile werden Hydraulikantriebe häufig bei mobilenArbeitsmaschinen verwendet. Hier erfolgt das Heben und Senken von Lasten vor allem durchlinear bewegliche Hydraulikzylinder.Fahrzeuge werden oft mit rotierenden hydraulischen Getrieben bzw. Flüssigkeitswandlernangetrieben, mit denen hohe Leistungen übertragen werden können. Das Besondere daran ist,dass die Hydraulikgetriebe die Bewegung eines mit festgelegter Drehzahl arbeitenden Motorsan die Betriebsbedingungen anpassen können. Ein Hauptanwendungsgebiet der hydraulischenAktoren sind Hydraulikstempel zum Bewegen schwerer Lasten.1) Vorratsbehälterfür Hydrauliköl2) Pumpkolben3) Presskolben4) Ventil 15) Ventil 21)Mit der hydraulischen Presse kann mitgeringer körperlicher Kraft eine große Kraftwirkungerzielt werden. Durch manuellesPumpen am Pumpkolben (2) eines Kfz-Wagenhebers kann am Presskolben (3) einetonnenschwere Last gehoben werden.4) 5)Prinzipzeichnung einer hydraulischenPresseWird der Pumpkolben (2) nach unten gedrückt, schließt das Ventil (4) und das Ventil (5)öffnet, damit strömt Hydrauliköl in den Presszylinder. Der Presskolben (3) hebt sich. Wirdder Pumpkolben nach oben bewegt, öffnet das Ventil (4) und das Ventil (5) schließt. Dadurchkann aus dem Vorratsbehälter (1) Hydrauliköl nachfließen. Wirkt auf den Pumpkolben miteiner Fläche von 1 cm² eine Kraft von 10 N, entspricht das einem Druck vonF 10 N 5p 10 Pa 1bar(3.17)A-4 210 mWeil der statische Druck in einer ruhenden Flüssigkeit an jeder Stelle gleich ist, wirkt auch imPresskolben derselbe Druck von 1 bar. Hat der Presskolben eine Fläche von 100 cm² wirkt aufihn eine Kraft F = 1kN.52)-2233)F p A 10Pa 10m 10 N(3.18)G. Schenke, 1.2013 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 43