Mechatronik Modul 2 - ADAM - Leonardo da Vinci Projects and ...
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<strong>Mechatronik</strong><br />
<strong>Modul</strong> 1- 4<br />
Grundlagen<br />
Interkulturelle Kompetenzen<br />
Projektmanagement<br />
Fluidtechnik<br />
Elektrische Antriebe<br />
und Steuerungen<br />
Schülerh<strong>and</strong>buch<br />
(Konzept)<br />
EU-Projekt Nr 2005-146319 „MINOS“, Laufzeit von 2005 bis 2007<br />
Europäisches Konzept für die Zusatzqualifikation <strong>Mechatronik</strong><br />
für Fachkräfte in der globalisierten industriellen Produktion.<br />
Das Projekt wurde gefördert von der<br />
Europäischen Union im Rahmen des<br />
Aktionsprogramms der Europäischen Union<br />
für die berufliche Bildung „<strong>Leonardo</strong> <strong>da</strong> <strong>Vinci</strong>“.<br />
www.minos-mechatronic.eu
<strong>Mechatronik</strong><br />
<strong>Modul</strong> 1: Grundlagen<br />
Schülerh<strong>and</strong>buch<br />
(Konzept)<br />
Matthias Römer<br />
Technische Universität Chemnitz<br />
Institut für Werkzeugmaschinen und<br />
Produktionsprozesse<br />
EU-Projekt Nr. 2005-146319 „MINOS“, Laufzeit von 2005 bis 2007<br />
Europäisches Konzept für die Zusatzqualifikation <strong>Mechatronik</strong> für<br />
Fachkräfte in der globalisierten industriellen Produktion.<br />
Das Projekt wurde gefördert von der<br />
Europäischen Union im Rahmen des<br />
Aktionsprogramms der Europäischen Union<br />
für die berufliche Bildung „<strong>Leonardo</strong> <strong>da</strong><br />
<strong>Vinci</strong>“.<br />
www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch
Projektpartner bei der Erarbeitung und Erprobung<br />
des Teachwarekonzepts<br />
• Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und<br />
Produktionsprozesse, Deutschl<strong>and</strong> – Projektleitung<br />
• Corvinus Universität Bu<strong>da</strong>pest, Institut für Informationstechnologien, Ungarn<br />
• Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Schweden<br />
• Technische Universität Wroclaw, Institut für Produktionstechnik und<br />
Automatisierung, Polen<br />
• Henschke Consulting Dresden, Deutschl<strong>and</strong><br />
• Christian Stöhr Unternehmensberatung, Deutschl<strong>and</strong><br />
• Neugebauer und Partner OHG Dresden , Deutschl<strong>and</strong><br />
• Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen<br />
• Euroregionale Industrie- und H<strong>and</strong>elskammer Jelenia Gora, Polen<br />
• Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Ungarn<br />
• Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Ungarn<br />
• Nationales Institut für berufliche Bildung Bu<strong>da</strong>pest, Ungarn<br />
Teachwearkonzept:<br />
• <strong>Modul</strong> 1: Grundlagen<br />
• <strong>Modul</strong> 2: Interkulturelle Kompetenzen, Projektmanagement<br />
• <strong>Modul</strong> 3: Fluidtechnik<br />
• <strong>Modul</strong> 4: Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
• <strong>Modul</strong> 5: Mechatronische Komponenten<br />
• <strong>Modul</strong> 6: Mechatronische Systeme und Funktionen<br />
• <strong>Modul</strong> 7: Inbetriebnahme, Sicherheit, Teleservice<br />
• <strong>Modul</strong> 8: Fernwartung, Diagnose<br />
Weitere Informationen:<br />
2<br />
Technische Universität Chemnitz<br />
Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse<br />
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Reimund Neugebauer<br />
Prof. Dr.-Ing. Dieter Weidlich<br />
Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz<br />
Tel.: +49(0)0371 531-23500<br />
Fax: +49(0)0371 531-23509<br />
Email: wzm@mb.tu-chemnitz.de<br />
Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch
Inhalt:<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
1 Technische Mathematik .................................................................................................... 7<br />
1.1 Grundrechenarten ............................................................................................................ 7<br />
Reihenfolge von Operationen<br />
Berechnung von Zahlen mit unterschiedlichen Vorzeichen<br />
Allgemeine Hinweise zur Multiplikation von Klammern<br />
1.2 Rechnen mit Brüchen ..................................................................................................... 10<br />
Definition von Brüchen<br />
Kürzen und Erweitern von Brüchen<br />
Addition von Brüchen<br />
Multiplizieren und Dividieren von Brüchen<br />
Berechnen von Brüchen mit dem Taschenrechner<br />
1.3 Höhere Rechenarten ...................................................................................................... 14<br />
Rechnen mit Zehnerpotenzen<br />
Berechnung von Potenzen mit dem Taschenrechner<br />
Multiplikation und Division von Exponentialzahlen<br />
Addition und Subtraktion von Exponentialzahlen<br />
Wurzelberechnung<br />
1.4 Dualzahlen ..................................................................................................................... 20<br />
Umrechnung von Dualzahlen<br />
Addition von Dualzahlen<br />
Subtraktion von Dualzahlen<br />
1.4.1 Dualzahlen im Computer ................................................................................................ 22<br />
1.5 Rechnen mit Variablen ................................................................................................... 24<br />
Aus- und Einklammerregeln<br />
Lösen von Gleichungen<br />
1.6 Potenzrechnung ............................................................................................................. 25<br />
1.6.1 Zinseszinsrechnung ....................................................................................................... 26<br />
1.7 Geometrie ...................................................................................................................... 28<br />
1.7.1 Winkel ............................................................................................................................ 28<br />
1.7.2 Viereck ........................................................................................................................... 30<br />
1.7.3 Dreieck ........................................................................................................................... 32<br />
1.7.4 Winkelfunktionen ............................................................................................................ 35<br />
1.7.5 Kreis ............................................................................................................................... 37<br />
1.7.6 Körper ............................................................................................................................ 38<br />
3
4<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
2 Technische Physik .......................................................................................................... 41<br />
2.1 Physikalische Grundlagen .............................................................................................. 41<br />
2.1.1 Physikalische Größen und Einheiten ............................................................................. 41<br />
2.1.2 Physikalische Gleichungen ............................................................................................ 43<br />
2.2 Kraft ................................................................................................................................ 44<br />
2.2.1 Addieren von Kräften ..................................................................................................... 45<br />
2.2.2 Zerlegen von Kräften ...................................................................................................... 49<br />
2.3 Drehmoment .................................................................................................................. 50<br />
2.4 Kräfte- und Momentengleichgewicht .............................................................................. 52<br />
2.5 Hebelgesetz ................................................................................................................... 53<br />
2.6 Druck .............................................................................................................................. 54<br />
2.6.1 Kraftübersetzung ............................................................................................................ 56<br />
2.6.2 Druckübersetzung .......................................................................................................... 58<br />
2.6.3 Gasgesetz ...................................................................................................................... 59<br />
2.6.4 Strömende Medien ......................................................................................................... 61<br />
2.7 Spannung ....................................................................................................................... 62<br />
2.8 Reibung .......................................................................................................................... 64<br />
2.9 Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung .................................................................. 66<br />
2.9.1 Gleichförmige Bewegung ............................................................................................... 66<br />
2.9.2 Beschleunigte Bewegung ............................................................................................... 67<br />
2.9.3 Kräfte an bewegten Körpern .......................................................................................... 70<br />
2.10 Rotation .......................................................................................................................... 72<br />
2.10.1 Winkelgeschwindigkeit ................................................................................................... 74<br />
2.10.2 Winkelbeschleunigung ................................................................................................... 75<br />
2.11 Arbeit, Energie und Leistung .......................................................................................... 76<br />
2.11.1 Arbeit .............................................................................................................................. 76<br />
2.11.2 Energie ........................................................................................................................... 79<br />
2.11.3 Energieerhaltungsgesetz ............................................................................................... 81<br />
2.11.4 Leistung .......................................................................................................................... 82<br />
2.11.5 Wirkungsgrad ................................................................................................................. 83<br />
2.12 Wärmelehre .................................................................................................................... 84<br />
2.12.1 Temperatur ..................................................................................................................... 84<br />
2.12.2 Ausdehnung fester Körper ............................................................................................. 85<br />
2.12.3 Ausdehnung von Gasen ................................................................................................. 86<br />
2.12.4 Wärmeenergie und Wärmekapazität .............................................................................. 87
Grundlagen<br />
Minos<br />
3 Technisches Zeichnen .................................................................................................... 89<br />
3.1 Grundlagen des technischen Zeichnens ........................................................................ 89<br />
3.1.1 Die technische Zeichnung als Kommunikationsmittel der Technik ................................. 89<br />
3.1.2 Zeichnungsarten ............................................................................................................90<br />
3.1.3 Papierformate ................................................................................................................. 92<br />
3.1.4 Schriftfelder und Stücklisten ........................................................................................... 94<br />
3.1.5 Maßstäbe ....................................................................................................................... 96<br />
3.2 Darstellungen in Zeichnungen ....................................................................................... 97<br />
3.2.1 Ansichten ....................................................................................................................... 97<br />
3.2.2 Linienarten und Liniendicken ......................................................................................... 98<br />
3.2.3 Schnitte .......................................................................................................................... 99<br />
3.3 Maßeintragungen in Zeichnungen ............................................................................... 101<br />
3.3.1 Maßlinien, Maßhilfslinien und Maßzahlen .................................................................... 101<br />
3.3.2 Besonderheiten bei der Bemaßung ............................................................................. 102<br />
3.4 Oberflächenbeschaffenheit .......................................................................................... 104<br />
3.4.1 Angabe der Oberflächenbeschaffenheit in der Zeichnung ........................................... 106<br />
3.5 Form- und Lagetoleranzen ........................................................................................... 107<br />
3.5.1 Maßtoleranzen .............................................................................................................. 111<br />
3.5.2 Passungen ................................................................................................................... 114<br />
3.6 Technische Zeichnungen und Computer ...................................................................... 116<br />
3.6.1 CAD .............................................................................................................................. 116<br />
3.6.2 Numerisch gesteuerte Maschinen ................................................................................ 118<br />
5
6<br />
Minos<br />
Grundlagen
Grundlagen<br />
1 Technische Mathematik<br />
1.1 Grundrechenarten<br />
Wichtig<br />
Wichtig<br />
Wichtig<br />
Beispiel<br />
Minos<br />
Zu den Grundrechenarten zählen die Addition, die Subtraktion, die Multiplikation<br />
und die Division.<br />
Beim Addieren werden Zahlen zusammengezählt. Bei der Subtraktion,<br />
der Umkehrung der Addition, werden Zahlen vonein<strong>and</strong>er abgezogen.<br />
Beide Rechenarten werden wegen der Zeichen + und – als Strichrechnung<br />
bezeichnet.<br />
Die Multiplikation bezeichnet <strong>da</strong>s Malnehmen von Zahlen. Die Division<br />
als Umkehrung der Multiplikation ist <strong>da</strong>s Teilen einer Zahl durch eine<br />
<strong>and</strong>ere. Da diese Rechenarten einen Punkt oder einen Doppelpunkt als<br />
Operationszeichen besitzen, werden sie auch Punktrechnung genannt.<br />
Die Punktrechnung ist höherwertiger als die Strichrechnung und muss<br />
vorher ausgeführt werden.<br />
Punktrechnung geht vor Strichrechnung!<br />
Zur Multiplikation gelangt man, indem man mehrfach die gleichen Zahlen<br />
addiert. So hat 3 + 3 + 3 + 3 <strong>da</strong>s gleiche Ergebnis wie 4 · 3. In<br />
manchen Unterlagen wird <strong>da</strong>bei auch <strong>da</strong>s Zeichen * für den Punkt bei<br />
der Multiplikation verwendet.<br />
Durch mehrfaches Multiplizieren mit der gleichen Zahl gelangt man zur<br />
Potenzrechnung. 3 · 3 · 3 · 3 hat also <strong>da</strong>s gleiche Ergebnis wie 3 4 .<br />
Die Potenzrechnung ist höherwertig als die Punktrechnung und muss<br />
deshalb vor der Punktrechnung ausgeführt werden.<br />
Potenzrechnung geht vor Punktrechnung!<br />
Noch höherwertiger ist die Klammerrechnung. Werte innerhalb der Klammer<br />
müssen immer zuerst berechnet werden.<br />
Die Klammer wird immer zuerst berechnet!<br />
3 + 5 = 8<br />
12 – 5 = 7<br />
3 · 5 = 15<br />
20 : 4 = 5<br />
4 + 2 · 3 = 4 + 6 = 10<br />
(4 + 2) · 3 = 6 · 3 = 18<br />
7
8<br />
Minos<br />
Hinweis<br />
Aufgabe<br />
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
Einfache Rechenaufgabe kann man im Kopf ausführen. Häufig wird jedoch<br />
auch ein Taschenrechner eingesetzt. Hierbei ist jedoch zu beachten,<br />
<strong>da</strong>ss viele einfache Taschenrechner die einzelnen Rechenoperationen<br />
nur nachein<strong>and</strong>er abarbeiten. Bei <strong>and</strong>eren Taschenrechnern <strong>da</strong>gegen<br />
kann man ganze Formeln eingeben und berechnen lassen. Für <strong>da</strong>s<br />
Einhalten der Rechenregeln ist trotzdem der Mensch zuständig. Bei der<br />
Benutzung fremder Taschenrechner ist gegebenenfalls vorher auszuprobieren,<br />
ob <strong>da</strong>s Gerät Punktrechnung vor Strichrechnung beherrscht.<br />
Lösen Sie die Aufgabe 1 im Übungsbuch!<br />
Bei der Subtraktion kann es vorkommen, <strong>da</strong>ss der zweite Wert größer ist<br />
als der erste. Im Ergebnis erhält man <strong>da</strong>nn eine negative Zahl mit einem<br />
Minus als Vorzeichen. Das Plus zum Kennzeichnen positiver Zahlen kann<br />
<strong>da</strong>gegen entfallen. Um zu vermeiden, <strong>da</strong>ss ein Rechenzeichen und ein<br />
Vorzeichen direkt hinterein<strong>and</strong>er stehen, wird die Zahl mit dem Vorzeichen<br />
in eine Klammer gesetzt.<br />
Beim Addieren und Subtrahieren können gleiche Rechen- und Vorzeichen<br />
zu einem Plus zusammengefasst werden. Unterscheiden sich <strong>da</strong>gegen<br />
Rechen- und Vorzeichen, so können sie durch ein Minus ersetzt<br />
werden. Das muss für jede Klammer einzeln erfolgen.<br />
8 – 14 = – 6<br />
4 + ( + 5 ) = 4 + 5 = 9<br />
4 – ( – 5 ) = 4 + 5 = 9<br />
5 – ( + 4 ) = 5 – 4 = 1<br />
5 + ( – 4 ) = 5 – 4 = 1<br />
Lösen Sie die Aufgabe 2 im Übungsbuch!<br />
Befinden sich in einer Klammer mehrere Summ<strong>and</strong>en, so muss jedes<br />
Vorzeichen einzeln neu ermittelt werden um die Klammer entfernen zu<br />
können.<br />
– ( 5 + 6 ) = – 5 + ( – 6 ) = – 5 – 6 = – 11<br />
– ( 5 – 6 ) = – 5 + ( + 6 ) = – 5 + 6 = 1<br />
– ( a + b + c ) = – a + ( – b ) + ( - c ) = – a – b – c<br />
– ( – a + b – c ) = + a + ( – b ) + ( + c ) = a – b + c<br />
Lösen Sie die Aufgabe 3 im Übungsbuch!
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Bei der Multiplikation und Division gilt ebenfalls, <strong>da</strong>ss gleiche Vorzeichen<br />
von zwei Werten zu einem Plus und ungleiche Vorzeichen zu einem<br />
Minus im Ergebnis führen.<br />
( + 5 ) · ( + 6 ) = + 30<br />
( – 5 ) · ( – 6 ) = + 30<br />
( + 5 ) · ( – 6 ) = – 30<br />
( – 18 ) : ( – 6 ) = + 3<br />
( – 18 ) : ( + 6 ) = – 3<br />
Lösen Sie die Aufgabe 4 im Übungsbuch!<br />
Bei der Addition und bei der Multiplikation kann die Reihenfolge der beiden<br />
Summ<strong>and</strong>en bzw. Faktoren vertauscht werden. Diese Regel wird<br />
als Kommutativgesetz bezeichnet. In der allgemeinen Schreibweise sieht<br />
<strong>da</strong>s folgendermaßen aus:<br />
a + b = b + a<br />
a · b = b · a<br />
Weiterhin gilt für die Addition und die Multiplikation, <strong>da</strong>ss bei mehreren<br />
gleichen Rechenoperationen die Reihenfolge der Berechnung egal ist.<br />
Dieses Gesetz wird Assoziativgesetz genannt. Die Klammer kann in diesem<br />
Fall auch entfallen.<br />
a + ( b + c ) = ( a + b ) + c<br />
a · ( b · c ) = ( a · b ) · c<br />
Steht in einer Klammer eine Summe und wird diese Klammer mit einem<br />
Wert multipliziert, so gilt <strong>da</strong>s Distributivgesetz. Jeder Wert in der Klammer<br />
wird mit dem Wert vor der Klammer multipliziert.<br />
a · ( b + c ) = a · b + a · c<br />
Befinden sich in zwei Klammern mehrere Summ<strong>and</strong>en, so müssen alle<br />
Summ<strong>and</strong>en mitein<strong>and</strong>er multipliziert werden. Wird <strong>da</strong>bei mit Variablen<br />
gerechnet, so ist es oft üblich <strong>da</strong>s Multiplikationszeichen wegzulassen.<br />
( a + b ) · ( c + d ) = a · ( c + d ) + b · ( c + d ) = ac + ad + bc + bd<br />
Diese Berechnung kann man auch grafisch <strong>da</strong>rstellen (Bild 1). Die Multiplikation<br />
von zwei Strecken (a + b ) und ( c + d ) ergibt den Flächeninhalt<br />
eines Rechtecks. Dies gilt auch, wenn die beiden Strecken sich aus<br />
den zwei Teilstrecken a und b sowie c und d zusammensetzen. Die vier<br />
Teilflächen ergeben zusammen wieder <strong>da</strong>s Gesamtrechteck.<br />
9
10<br />
Minos<br />
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
1.2 Rechnen mit Brüchen<br />
c+d<br />
Bild 1: Grafische Darstellung der Multiplikation<br />
Wendet man <strong>da</strong>s Distributivgesetz von rechts nach links an, so bezeichnet<br />
man dieses Vorgehen als Ausklammern. Enthalten mehrere Summ<strong>and</strong>en<br />
einen gleichen Faktor, so kann dieser vor die Klammer geschrieben<br />
werden.<br />
ab + ac = a ( b + c )<br />
15x – 5y = 5 ( 3x – y )<br />
Lösen Sie die Aufgabe 5 im Übungsbuch!<br />
Beim Aufteilen einer bestimmten Anzahl in gleich große Gruppen ist eine<br />
Lösung mit ganzen Zahlen manchmal nicht möglich. So kann man beispielsweise<br />
sechs Äpfel in drei Gruppen teilen, wobei jede Gruppe zwei<br />
Äpfel enthält. Soll <strong>da</strong>gegen ein Apfel in drei gleich große Stücke geteilt<br />
werden, muss er zerteilt werden. Diese Aufgabe kann man <strong>da</strong>nn auch<br />
als Bruch wie folgt schreiben:<br />
1: 3 = 1<br />
3<br />
a·d<br />
a·c<br />
a<br />
a+b<br />
b·d<br />
b·c<br />
wobei die Zahl über dem Bruchstrich als Zähler und die Zahl <strong>da</strong>runter als<br />
Nenner bezeichnet wird.<br />
Der Nenner gibt <strong>da</strong>bei an, in wieviele Teile <strong>da</strong>s Ganze geteilt ist und der<br />
Zähler gibt an, wie viele Teile <strong>da</strong>von vorh<strong>and</strong>en sind.<br />
b<br />
c d
Beispiel<br />
Wichtig<br />
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Es ist nun auch möglich, den Apfel in sechs Stücke zu teilen und jeder<br />
der drei Gruppen zwei Stücke zuzuordnen. Rechnerisch wurde <strong>da</strong>bei<br />
der Zähler und der Nenner mit Zwei multipliziert. Allgemein wird diese<br />
Vorgehensweise Erweitern von Brüchen genannt, wenn der Zähler und<br />
der Nenner mit der gleichen Zahl multipliziert wird. Das Erweitern von<br />
Brüchen kann sinnvoll sein, wenn Brüche addiert oder subtrahiert werden<br />
sollen.<br />
1<br />
3<br />
2 3<br />
= = =<br />
6 9<br />
10<br />
30<br />
Unter dem Kürzen von Brüchen versteht man <strong>da</strong>s Teilen von Zähler und<br />
Nenner durch die gleiche Zahl. Wie beim Erweitern ändert sich der Wert<br />
des Bruches <strong>da</strong>durch nicht. Durch <strong>da</strong>s Kürzen werden die Zahlen des<br />
Bruches kleiner und der Bruch <strong>da</strong>mit insgesamt übersichtlicher. Auch<br />
<strong>da</strong>s Berechnen des Bruches kann <strong>da</strong>durch vereinfacht werden.<br />
Das Erweitern oder Kürzen von Brüchen <strong>da</strong>rf nicht mit der Zahl 0 erfolgen!<br />
Lösen Sie die Aufgabe 6 im Übungsbuch!<br />
Brüche kann man nur addieren oder subtrahieren, wenn sie den gleichen<br />
Nenner haben. Sollen Brüche mit unterschiedlichen Nennern addiert<br />
oder subtrahiert werden, so müssen durch Erweitern eines oder<br />
beider Brüche zunächst die Nenner auf den gleichen Wert gebracht werden.<br />
Man sagt, die Nenner werden gleichnamig gemacht und der <strong>da</strong>bei<br />
entstehende Nenner ist der Hauptnenner. Ganze Zahlen werden <strong>da</strong>bei<br />
in einen Bruch verw<strong>and</strong>elt, indem diese Zahl als Zähler verwendet wird<br />
und der Nenner 1 ist.<br />
Anschließend können die Zähler der beiden Brüche addiert oder subtrahiert<br />
werden. Der Nenner wird <strong>da</strong>bei nicht verändert.<br />
11
12<br />
Minos<br />
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
Ist der Hauptnenner nicht einfach ersichtlich, so kann man ihn <strong>da</strong>durch<br />
ermitteln, <strong>da</strong>ss man die beiden einzelnen Nenner mitein<strong>and</strong>er multipliziert.<br />
Der <strong>da</strong>bei entstehende Hauptnenner ist nicht unbedingt der kleinste<br />
mögliche Hauptnenner, <strong>da</strong>s Ergebnis ist jedoch trotzdem richtig.<br />
1 1<br />
+<br />
2 4<br />
1 1<br />
+<br />
2 4<br />
1 ⋅ 2<br />
=<br />
2 ⋅ 2<br />
+ 1<br />
4<br />
1 ⋅ 4 1 ⋅ 2<br />
= +<br />
2 ⋅ 4 4 ⋅ 2<br />
2 1<br />
= +<br />
4 4<br />
4 2<br />
= +<br />
8 8<br />
= 2+1<br />
4<br />
= 6<br />
8<br />
Im ersten Fall wurde der erste Bruch mit 2 erweitert und so der Hauptnenner<br />
4 gefunden. Im zweiten Beispiel <strong>da</strong>gegen wurde der Hauptnenner<br />
8 durch die Multiplikation der beiden Nenner 2 und 4 ermittelt und die<br />
beiden Brüche entsprechend erweitert. Anschließend wurde <strong>da</strong>s Ergebnis<br />
gekürzt. Beide Berechnungen ergeben, <strong>da</strong>ss beispielsweise ein halber<br />
Apfel und ein viertel Apfel zusammen drei viertel eines Apfels ergeben.<br />
Lösen Sie die Aufgabe 7 im Übungsbuch!<br />
Das Multiplizieren und Dividieren von Brüchen ist einfacher als <strong>da</strong>s Addieren,<br />
weil <strong>da</strong>für nicht <strong>da</strong>s Bestimmen des Hauptnenners erforderlich<br />
ist.<br />
Bei der Multiplikation von Brüchen werden einfach die beiden Zähler und<br />
die beiden Nenner mitein<strong>and</strong>er multipliziert. Dabei kann man einfach den<br />
Bruchstrich der beiden Brüche verbinden. Vor dem Ausmultiplizieren kann<br />
geprüft werden, ob ein Kürzen des entst<strong>and</strong>enen Bruches möglich ist.<br />
Mit den <strong>da</strong>bei entstehenden kleineren Zahlen ist die Berechnung einfacher.<br />
1<br />
3 3<br />
⋅<br />
4<br />
1 ⋅ 3<br />
=<br />
3 ⋅ 4<br />
= 1<br />
4<br />
Lösen Sie die Aufgabe 8 im Übungsbuch!<br />
Die Division wird in eine Multiplikation umgew<strong>and</strong>elt. Dazu wird von dem<br />
Bruch, durch den dividiert werden soll, zunächst der Kehrwert gebildet.<br />
Das geschieht, indem man einfach Zähler und Nenner vertauscht. Der<br />
Kehrwert wird auch Reziproke genannt. Für eine Division wird also mit<br />
dem reziproken Bruch multipliziert.<br />
1 3<br />
:<br />
3 4<br />
= 1<br />
3<br />
⋅<br />
4<br />
3<br />
1 ⋅ 4<br />
=<br />
3 ⋅ 3<br />
= 4<br />
9<br />
Lösen Sie die Aufgabe 9 im Übungsbuch!<br />
= 3<br />
4<br />
= 3<br />
4
Beispiel<br />
Beispiel<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Beim Berechnen von Brüchen mit dem Taschenrechner ist zu beachten,<br />
<strong>da</strong>ss einfache Geräte keine direkte Eingabe von Brüchen ermöglichen.<br />
Die Berechnungen müssen also nachein<strong>and</strong>er durchgeführt werden.<br />
3<br />
= 0,3<br />
2⋅5 Ein falsches Ergebnis erhält man, wenn man den Bruch einfach in der<br />
folgenden Reihenfolge eingibt:<br />
3 : 2 · 5 = 7,5<br />
Diese Berechnung würde als Bruch <strong>da</strong>rgestellt jedoch <strong>and</strong>ers aussehen.<br />
3<br />
5= 7,5<br />
2 ⋅<br />
Um <strong>da</strong>s Beispiel mit dem Taschenrechner richtig zu berechnen, müssen<br />
die einzelnen Berechnungen folgendermaßen eingegeben werden:<br />
3 : 2 : 5 = 0,3<br />
Das Teilen durch 5 ergibt sich <strong>da</strong>raus, <strong>da</strong>ss sich die Zahl 5 im Nenner<br />
befindet.<br />
Es kann natürlich auch erst der gesamte Nenner berechnet werden und<br />
<strong>da</strong>nach die Division des Zählers durch den Nenner. Diese Vorgehensweise<br />
ist auch <strong>da</strong>nn erforderlich, wenn sich im Nenner eine Addition befindet:<br />
3<br />
= 0,428571...<br />
2+ 5<br />
Hier muss die Addition im Nenner wie in einer Klammer betrachtet werden.<br />
Für die Berechnung muss also vor der Division die Addition erfolgen:<br />
3 : ( 2 + 5 ) = 0,428571...<br />
Die ausgerechnete Form des Bruches wird als Dezimalbruch bezeichnet.<br />
Der Wert des Dezimalbruches wird <strong>da</strong>bei durch die Stellung der<br />
einzelnen Ziffern bestimmt. Links vom Komma stehen <strong>da</strong>bei die Einer,<br />
die Zehner, die Hunderter. Rechts vom Komma <strong>da</strong>gegen stehen die Zehntel,<br />
die Hundertstel, die Tausendstel usw.<br />
Bei manchen Brüchen, wie in diesem Beispiel, wird die Anzahl der auf<br />
dem Taschenrechner angezeigten Stellen nur durch die Anzahl der Stellen<br />
der Anzeige begrenzt. Berechnet man weitere Stellen, so fällt auf,<br />
<strong>da</strong>ss sich die ersten sechs Stellen nach dem Komma unendlich wiederholen.<br />
13
14<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
Für die Darstellung dieser periodischen Dezimalbrüche werden die periodisch<br />
wiederkehrenden Zahlen überstrichen.<br />
3<br />
= 0,428571<br />
7<br />
Je nach der geforderten Genauigkeit kann der Bruch auch gerundet<br />
werden. Dabei bleibt die letzte Ziffer, die beibehalten werden soll, unverändert,<br />
wenn <strong>da</strong>rauf eine 0, 1, 2, 3 oder 4 folgt. Ist die unmittelbar <strong>da</strong>rauffolgende<br />
Ziffer <strong>da</strong>gegen eine 5, 6, 7, 8 oder 9, so wird die beizubehaltende<br />
Ziffer um 1 erhöht.<br />
Das Runden des Bruches im Beispiel auf zwei und auf drei Stellen nach<br />
dem Komma ergibt folgendes Ergebnis:<br />
3<br />
7 0,43 ≈<br />
3<br />
7 0,429 ≈<br />
1.3 Höhere Rechenarten<br />
Durch <strong>da</strong>s Runden ergibt sich bei der Berechnung ein gewisser Fehler.<br />
Im Allgemeinen sollten die gerundeten Zahlen eine oder zwei Stellen<br />
mehr haben, als die zu Beginn der Berechnung eingesetzten Zahlen.<br />
Ein Runden auf mehr Stellen erhöht unnötig den Rechenaufw<strong>and</strong>.<br />
Bereits bei den Grundrechenarten hat <strong>da</strong>s wiederholte Addieren mit einem<br />
bestimmten Wert zur Multiplikation geführt. Die wiederholte Multiplikation<br />
mit einem gleichen Faktor führt nun zur Potenzrechnung.<br />
Die Basis oder Grundzahl der Potenz ist <strong>da</strong>bei die Zahl, die multipliziert<br />
wird. Wie oft diese Zahl multipliziert wird steht im Exponenten, der auch<br />
Hochzahl genannt wird, weil diese Zahl hochgestellt hinter die Basis<br />
geschrieben wird.<br />
In der Geometrie wird der Flächeninhalt A eines Quadrates berechnet, in<br />
dem die beiden gleich langen Seiten a mitein<strong>and</strong>er multipliziert werden.<br />
Bei einem Würfel wird die quadratische Grundfläche mit der gleich langen<br />
Höhe multipliziert um <strong>da</strong>s Volumen V zu berechnen.<br />
A = a · a = a 2<br />
V = a · a · a = a 3<br />
Entsprechend werden auch die Einheiten mitein<strong>and</strong>er multipliziert, eine<br />
Fläche wird in m 2 angegeben, ein Volumen in m 3 .
Beispiel<br />
Wichtig<br />
Wichtig<br />
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Ein Würfel hat eine Seitenlänge von 3 m. Wie groß ist sein Volumen?<br />
V = 3 m · 3m · 3 m = 3 3 m 3 = 27 m 3<br />
Der Exponent kann aber auch ein Dezimalbruch sein. Darauf wird bei<br />
der Berechnung von Wurzeln weiter eingegangen. Ist ein Exponent negativ,<br />
so kann er in einen positiven Exponenten umgeformt werden, in<br />
dem die gesamte Potenz in den Nenner eines Bruches gestellt wird.<br />
3 -2 = 1/3 2 = 1/9<br />
Eine beliebige Zahl mit dem Exponenten 0 ergibt immer 1.<br />
Eine beliebige Zahl mit dem Exponenten 1 ergibt genau diese Zahl, <strong>da</strong><br />
sie nur einmal als Faktor der Multiplikation vorh<strong>and</strong>en ist.<br />
2 6 = 2 · 2 · 2 · 2 · 2 · 2<br />
6 2 = 6 · 6<br />
6 0 = 1<br />
6 1 = 6<br />
6 –2 = 1/6 2 = 1/36<br />
Lösen Sie die Aufgabe 10 im Übungsbuch!<br />
15
16<br />
Minos<br />
Beispiel<br />
Grundlagen<br />
Eine besondere Bedeutung haben Potenzen mit der Zahl 10 als Basis.<br />
Sie werden als Zehnerpotenzen bezeichnet und vorallem benutzt, um<br />
besonders große oder kleine Zahlen <strong>da</strong>rzustellen.<br />
Die Berechnung von Zehnerpotenzen ist sehr einfach. Der Exponent gibt<br />
<strong>da</strong>bei an, wieviele Nullen sich nach der 1 befinden. Man kann aber auch<br />
ausgehend von der 1 aus <strong>da</strong>s Komma um so viele Stellen nach rechts<br />
verschieben, wie der Exponent angibt.<br />
Bei negativen Exponenten wird <strong>da</strong>gegen <strong>da</strong>s Komma von der 1 aus nach<br />
links verschoben.<br />
10 6 = 1000000<br />
10 2 = 100<br />
10 0 = 1<br />
10 –2 = 0,01<br />
10 –3 = 0,001<br />
Um große oder kleine Zahlen besser <strong>da</strong>rstellen zu können, werden sie<br />
häufig in Kombination mit einer Zehnerpotenz <strong>da</strong>rgestellt. Dabei wird die<br />
Zahl selbst einstellig mit einer mehr oder weniger großen Anzahl von<br />
Kommastellen angegeben und die Zehnerpotenz gibt an, um wieviele<br />
Stellen verschoben wird.<br />
Es besteht aber auch die Möglichkeit, vorrangig Zehnerpotenzen mit durch<br />
3 teilbaren Exponenten zu verwenden, also beispielsweise 3, 6 und 9<br />
bzw. –3, –6 und –9. Diese können <strong>da</strong>nn durch einen Vorsatz bei den<br />
Einheiten ersetzt werden. Übliche Vorsätze für Einheiten sind Kilo, Mega<br />
und Giga sowie Milli, Mikro und Nano.<br />
125000 = 1,25 · 10 5 = 125 · 10 3<br />
0,000125 = 1,25 · 10 –4 = 125 · 10 –6<br />
1 km = 10 3 m = 1000 m<br />
1 nm = 10 –9 m = 0,000000001 m
Grundlagen<br />
Aufgabe Lösen Sie die Aufgabe 11 und 12 im Übungsbuch!<br />
Aufgabe<br />
Minos<br />
Nicht auf jedem Taschenrechner sind die Funktionen für die Berechnung<br />
von Potenzen vorh<strong>and</strong>en. Geräte mit Möglichkeiten, höhere Rechenoperationen<br />
auszuführen, werden oft als wissenschaftliche Taschenrechner<br />
bezeichnet.<br />
Für <strong>da</strong>s Potenzieren mit den häufiger benötigten Exponenten 2 und 3<br />
sind oftmals gesonderte Tasten x 2 und x 3 vorh<strong>and</strong>en. Andere Exponenten<br />
werden mit der Taste x y eingegeben.<br />
Für Zehnerpotenzen ist die Taste EXP vorgesehen. Je nach Ausführung<br />
des Taschenrechners ist für die Anzeige der Zehnerpotenz ein gesonderter<br />
Teil der Anzeige reserviert oder die Zahl vor der Zehnerpotenz<br />
wird mit weniger Stellen angezeigt.<br />
Machen Sie sich mit den höheren Rechenarten Ihres Taschenrechners<br />
vertraut und geben Sie die Zahlen der vorangegangenen Übung in den<br />
Taschenrechner ein.<br />
17
18<br />
Minos<br />
Beispiel<br />
Grundlagen<br />
Die Addition von Potenzen ist nur <strong>da</strong>nn möglich wenn die Basis und der<br />
Exponent der zu addierenden Potenzen gleich ist. Dies wird häufig durchgeführt,<br />
wenn die Basis der Potenz eine Variable ist.<br />
2x 2 + 5x 2 = 7x 2<br />
1,5a 7 + 3,6a 7 = 5,1a 7<br />
Eine Multiplikation von Potenzen ist nur möglich, wenn die Basis oder<br />
der Exponent gleich ist. Bei gleicher Basis werden die Exponenten mitein<strong>and</strong>er<br />
addiert, bei gleichem Exponenten <strong>da</strong>gegen die beiden Basiswerte<br />
mitein<strong>and</strong>er multipliziert.<br />
a n · a m = a (n+m)<br />
a n · b n = (a · b) n<br />
Entsprechend werden bei der Division von Potenzen mit gleicher Basis<br />
die Exponenten vonein<strong>and</strong>er subtrahiert. Bei der Division von Potenzen<br />
mit gleichem Exponenten werden die beiden Basiswerte durchein<strong>and</strong>er<br />
geteilt.<br />
a<br />
a =a<br />
m<br />
n<br />
a<br />
b<br />
n<br />
n<br />
(m–n)<br />
⎛ a⎞<br />
=<br />
⎝<br />
⎜<br />
b⎠<br />
⎟<br />
Für <strong>da</strong>s Potenzieren von Potenzen werden die beiden Exponenten mitein<strong>and</strong>er<br />
multipliziert. Auf diese Weise kann man auch extrem große<br />
oder kleine Zahlen sehr kurz <strong>da</strong>rstellen.<br />
(a m ) n = a m•n<br />
x 2 · x 3 = (x · x) · (x · x · x) = x (2+3) = x 5<br />
x 5 · x –2 = x (5–2) = x 3<br />
n<br />
x 5 · y 5 = (x · y) 5<br />
a<br />
a<br />
12<br />
–8<br />
=a =a<br />
12–(–8) 20<br />
(10 10 ) 10 = 10 (10 • 10) = 10 100 , eine 1 mit 100 Nullen.
Grundlagen<br />
Aufgabe Lösen Sie die Aufgabe 13 im Übungsbuch!<br />
Aufgabe<br />
Minos<br />
Möchte man von einem Quadrat, bei dem der Flächeninhalt bekannt ist,<br />
die Länge einer Seite bestimmen, so muss man die Wurzel berechnen.<br />
Man bezeichnet diese Berechnung auch als Wurzelziehen oder Radizieren.<br />
Hat <strong>da</strong>s Quadrat beispielsweise eine Fläche von 4 m 2 , so beträgt<br />
die Länge einer Seite 2 m. In diesem Fall hat man die Quadratwurzel<br />
bestimmt. Die Berechnung wird folgendermaßen <strong>da</strong>rgestellt:<br />
4 = 2<br />
Um die Wurzel einer Zahl zu berechnen muss man also bestimmen,<br />
welche Zahl mit sich selbst multipliziert den Zahlenwert ergibt. Da diese<br />
Berechnung nicht so einfach ist, findet sich auf jedem Taschenrechner<br />
eine Taste zur Bestimmung der Wurzel.<br />
Eine Wurzel kann auch als Potenz <strong>da</strong>rgestellt werden. Anstelle des Wurzelzeichens<br />
wird der Exponent der Potenz als Bruch geschrieben. Man<br />
kann sich hier auch <strong>and</strong>ere Brüche als Exponent vorstellen. Hervorzuheben<br />
ist noch die Kubikwurzel. Hiermit wird die Seitenlänge eines Würfels<br />
mit bekanntem Volumen berechnet.<br />
3<br />
13 /<br />
27 = 27 = 3<br />
Lösen Sie die Aufgabe 14 im Übungsbuch!<br />
19
20<br />
Minos<br />
1.4 Dualzahlen<br />
Grundlagen<br />
In unserem dezimalen Zahlensystem verwenden wir die zehn Ziffern von<br />
0 bis 9. Größere Zahlen werden aus mehreren Ziffern zusammengesetzt.<br />
Dabei ist wichtig, an welcher Stelle die einzelnen Ziffern stehen.<br />
Von rechts nach links werden die Stellen als Einer, Zehner, Hunderter<br />
usw. bezeichnet. Die Ziffer der Hunderter Stelle wird <strong>da</strong>bei mit 100 multipliziert,<br />
die Ziffer der Zehner Stelle mit 10. Zusammen mit der Einerstelle<br />
ergeben sie die gesamte Zahl. Man kann also schreiben<br />
325 = 3 · 100 + 2 · 10 + 5 = 3 · 10 2 + 2 · 10 1 + 5 · 10 0<br />
Diese Vorgehensweise ist für uns selbstverständlich geworden, schließlich<br />
haben wir auch zehn Finger, mit denen wir auch rechnen können.<br />
Neben dem Dezimalsystem sind aber auch <strong>and</strong>ere Zahlensysteme möglich.<br />
So besteht beispielsweise ein Dutzend aus 12 einzelnen Teilen. Ein<br />
Tag besteht aus zweimal 12 Stunden und eine Stunde hat 60 Minuten,<br />
genauso wie eine Minute auch 60 Sekunden hat. Bevor eine neue Minute<br />
beginnt, müssen 60 Sekunden vergangen sein.<br />
Für die Berechnungen in Computern wird <strong>da</strong>s duale Zahlensystem verwendet.<br />
Hier gibt es nur zwei verschiedene Zustände oder Ziffern, nämlich<br />
0 und 1. Um Verwechslungen zu vermeiden, wird die 1 manchmal<br />
auch als L <strong>da</strong>rgestellt.<br />
Der Vorteil von diesem Zahlensystem besteht <strong>da</strong>rin, <strong>da</strong>ss die beiden Zustände<br />
sehr leicht <strong>da</strong>durch <strong>da</strong>rgestellt werden können, <strong>da</strong>ss ein elektrischer<br />
Strom fließt oder nicht. Auch kann ein Speicherbaustein eingeschaltet<br />
sein oder nicht. Andere Möglichkeiten sind nicht zugelassen.<br />
Da diese dualen oder auch binären Zahlen nur zwei Ziffern haben, werden<br />
sie schneller länger als die Dezimalzahlen. Eine Gegenüberstellung<br />
von dezimalen und dualen Zahlen sieht wie folgt aus:<br />
Dezimal Dual<br />
0 0<br />
1 1<br />
2 10<br />
3 11<br />
4 100<br />
5 101<br />
6 110<br />
7 111<br />
8 1000<br />
9 1001<br />
10 1010<br />
11 1011<br />
12 1100<br />
13 1101<br />
14 1110<br />
15 1111
Aufgabe<br />
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Auch bei den Dualzahlen bestimmt die Stelle einer Ziffer deren Wertigkeit.<br />
Allerdings wird hier eine Potenz mit der Basis 2 verwendet, deshalb<br />
die Bezeichnung Dualzahl.<br />
Man kann für die dezimale Zahl 6 in der Schreibweise der Dualzahlen<br />
also auch schreiben:<br />
110 = 1 · 2 2 + 1 · 2 1 + 0 · 2 0 = 1 · 4 + 1 · 2 + 0 · 1<br />
Wie man sieht, haben die Stellen von rechts nach links die Wertigkeit 1,<br />
2, 4, 8, 16 usw. Möchte man nun eine Dezimale Zahl in eine Binärzahl<br />
umrechnen, so dividiert man diese Zahl durch 2 und notiert sich den<br />
Rest. Dies führt man mit dem Ergebnis solange fort, bis <strong>da</strong>s Ergebnis<br />
der Teilung 0 ergibt. Die notierten Zahlen des Restes ergeben in umgekehrter<br />
Reihenfolge die Dualzahl.<br />
Umrechnen der dezimalen Zahl 29 in eine Dualzahl:<br />
29 geteilt durch 2 14 Rest 1<br />
14 geteilt durch 2 7 Rest 0<br />
7 geteilt durch 2 3 Rest 1<br />
3 geteilt durch 2 1 Rest 1<br />
1 geteilt durch 2 0 Rest 1<br />
Für die Bestimmung der Dualzahl werden die Reste vom Ende der Berechnung<br />
aus aufgeschrieben und ergeben somit 11101.<br />
Man sieht, <strong>da</strong>ss ungerade Dezimalzahlen nach der Umrechnung in Dualzahlen<br />
immer an der letzten Stelle eine 1 besitzen. Dies ergibt sich <strong>da</strong>raus,<br />
<strong>da</strong>ss ungerade Zahlen durch 2 nur mit dem Rest 1 teilbar sind.<br />
Lösen Sie die Aufgabe 15 im Übungsbuch!<br />
Um umgekehrt eine Dualzahl in eine Dezimalzahl umzuw<strong>and</strong>eln muss<br />
für jede Stelle der Dualzahl die Wertigkeit bestimmt werden. Alle Wertigkeiten<br />
mit der Ziffer 1 werden nun addiert, die <strong>and</strong>eren Wertigkeiten werden<br />
ignoriert. Wie bereits erwähnt sind die Wertigkeiten Potenzen mit<br />
der Basis 2. Die am weitesten rechts stehende Wertigkeit ist <strong>da</strong>bei 2 0 ,<br />
also 1.<br />
Für die Umrechnung der Dualzahl 11001 geht man wie folgt vor:<br />
1 2 4 = 16 16<br />
1 2 3 = 8 8<br />
0 2 2 = 4 0<br />
0 2 1 = 2 0<br />
1 2 0 = 1 1<br />
Summe: 25<br />
Lösen Sie die Aufgabe 16 im Übungsbuch!<br />
21
22<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
1.4.1 Dualzahlen im Computer<br />
Im normalen Umgang mit Computern kommt man kaum mit den Dualzahlen<br />
in Berührung. Anders ist <strong>da</strong>s, wenn man selbst ein Programm<br />
schreiben will oder auch beim Programmieren einer speicherprogrammierbaren<br />
Steuerung, einer SPS.<br />
Einige grundlegende Kenntnisse über die Arbeitsweise des Computers<br />
sind aber sicherlich von Vorteil.<br />
Eine Dualzahl mit nur einer Stelle wird als Bit bezeichnet. Ein Bit kann<br />
nur die Werte 0 oder 1 haben. Acht Bits werden zu einem Byte zusammengefasst.<br />
Mit diesen acht Stellen der Dualzahl können Werte von 0<br />
bis 255 <strong>da</strong>rgestellt werden. In der Schreibweise von Dualzahlen sind<br />
<strong>da</strong>s acht Nullen bzw. acht Einsen.<br />
Jeder Buchstabe und jede Ziffer des Dezimalsystems wird innerhalb des<br />
Computers durch ein Byte <strong>da</strong>rgestellt. Welche Dualzahl die einzelnen<br />
Buchstaben bestimmt, ist im ASCII-Code (American Stan<strong>da</strong>rd Code for<br />
Information Interchange) festgelegt. Das große A entspricht beispielsweise<br />
der Zeichenfolge 01000001 oder als Dezimalzahl der 65.<br />
Da Dualzahlen sehr lang werden können, wird in der Computertechnik<br />
ein weiteres Zahlensystem verwendet. Dazu wird ein Byte in zwei Vierergruppen<br />
von Bits aufgeteilt. Diese Vierergruppen werden auch Nibbles<br />
genannt. Mit einem Nibble oder mit vier Bits können insgesamt 16 verschiedene<br />
Werte gebildet werden.<br />
Um die Nibbles mit einem Zeichen <strong>da</strong>rstellen zu können wird <strong>da</strong>s<br />
Hexadezimalsystem verwendet. Beim Hexadezimalsystem wird als Basis<br />
die 16 verwendet, im Gegensatz zum dezimalen Zahlensystem, wo<br />
die 10 die Basis bildet. Da für <strong>da</strong>s Hexadezimalsystem 16 verschiedene<br />
Zeichen benötigt werden, werden neben den Ziffern 0 bis 9 die Buchstaben<br />
A bis F verwendet. Um Verwechslungen mit den <strong>and</strong>eren Zahlensystemen<br />
zu vermeiden wird nach der Zahl oft noch ein kleines h angeordnet.<br />
Die mit einem Byte <strong>da</strong>rstellbaren Zahlen liegen somit in den verschiedenen<br />
Zahlensystemen in folgenden Bereichen:<br />
Dualsystem 0000 0000 bis 1111 1111<br />
Hexadezimales System 00 bis FF<br />
Dezimales System 0 bis 255
Beispiel<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Durch die Verwendung von Dualzahlen ergeben sich im Computerbereich<br />
bestimmte Zahlen, die aus den Potenzen mit der 2 als Basis entstehen.<br />
Solche Zahlen sind beispielsweise:<br />
2 6 = 64<br />
2 7 = 128<br />
2 8 = 256<br />
2 9 = 512<br />
2 10 = 1024<br />
Besonders bei Speicherbausteinen sind diese Zahlenwerte zu finden.<br />
Es liegt also am Dualzahlensystem, wenn eine Speicherkarte 512 MByte<br />
hat und nicht 500.<br />
Eine weitere Besonderheit stellen die Vorsilben für große Zahlenwerte<br />
<strong>da</strong>r. Im dezimalen Zahlensystem wird die Vorsilbe Kilo für den Wert 1000<br />
verwendet. So sind beispielsweise 1000 Meter gleich 1 Kilometer. In der<br />
Datenverarbeitung sind jedoch 1024 Byte gleich 1 Kilobyte.<br />
Um Verwechslungen zu vermeiden können in der Datenverarbeitung die<br />
Vorsilben Kibi und Mebi für binäres Kilo und binäres Mega eingesetzt<br />
werden. In der Praxis ist <strong>da</strong>s allerdings noch selten anzutreffen. Im Zweifelsfall<br />
ist deshalb genau zu überprüfen, ob eine Vorsilbe wie Kilo für<br />
1000 oder 1024 steht.<br />
Häufig kann man <strong>da</strong>von ausgehen, <strong>da</strong>ss bei der Angabe von Bits die<br />
Vorsilbe Kilo für 1000 steht und bei der Angabe von Bytes für den Wert<br />
1024.<br />
Die Übertagungsgeschwindigkeit eines ISDN-Telefonkanals beträgt<br />
64 kbit/s. Das sind genau 64.000 bit/s und nicht 65.536 bit/s, was sich<br />
bei 64 · 1024 ergeben würde. Eine moderne Festplatte <strong>da</strong>gegen mit<br />
400 Gigabyte hat 400 Milliarden Bytes. Da der Computer jedoch intern<br />
<strong>da</strong>s duale Zahlensystem verwendet, zeigt er nur eine Kapazität von<br />
372,5 GiB an. Die Festplattenhersteller verwenden jedoch lieber den Wert<br />
von 400 als 372,5.<br />
23
24<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
1.5 Rechnen mit Variablen<br />
Mit Variablen können allgemein gültige Gesetzmäßigkeiten in Formeln<br />
<strong>da</strong>rgestellt werden. Für die Variablen werden Buchstaben verwendet.<br />
Durch Ersetzen der Variablen mit konkreten Werten kann <strong>da</strong>nn für beliebig<br />
viele Einzelfälle ein Ergebnis berechnet werden.<br />
Die Formel zur Berechnung des Flächeninhaltes eines Rechtecks lautet<br />
beispielsweise wie folgt:<br />
A = a · b<br />
Dabei steht A für die Fläche und a und b für die Seitenlängen des Rechtecks.<br />
Durch Einsetzen von Werten für a und b kann der Flächeninhalt<br />
des Rechtecks berechnet werden.<br />
Mit den Variablen wie a und b kann genauso gerechnet werden wie mit<br />
Zahlen. Es gelten auch die gleichen Rechenregeln wie Punktrechnung<br />
vor Strichrechnung oder die Regeln für <strong>da</strong>s Ein- oder Ausklammern. Ein<br />
Ergebnis kann natürlich erst berechnet werden, wenn die Variablen durch<br />
konkrete Werte ersetzt werden.<br />
Soll eine Gleichung berechnet werden, so <strong>da</strong>rf für ein eindeutiges Ergebnis<br />
nur ein Wert unbekannt sein. So sind bei der Gleichung zur Berechnung<br />
des Flächeninhaltes beispielsweise die beiden Seiten des<br />
Rechtecks bekannt und der Flächeninhalt soll berechnet werden.<br />
Es kann aber auch vorkommen, <strong>da</strong>ss der Flächeninhalt und eine Seite<br />
bekannt ist und die Länge der zweite Seite berechnet werden soll. In<br />
diesem Fall ist die Formel so umzustellen, <strong>da</strong>ss die zu berechnende<br />
Größe allein auf einer Seite des Gleichheitszeichens steht.<br />
Die Anein<strong>and</strong>erreihung von Zahlen oder Variablen und Rechenzeichen<br />
auf einer Seite des Gleichheitszeichens wird als Term bezeichnet.<br />
Der unbekannte Wert wird durch x <strong>da</strong>rgestellt. Das Umstellen der Gleichung<br />
wird auch Auflösen nach x genannt. Dies erfolgt, indem man auf<br />
beide Seiten des Gleichheitszeichens, also auf beide Terme, die gleiche<br />
Rechenoperation anwendet. Diese Rechenoperation wird rechts neben<br />
die Gleichung geschrieben und durch einen senkrechten Strich abgetrennt.<br />
Der zu berechnende Wert x sollte am Ende des Umformens auf der linken<br />
Seite des Gleichheitszeichen stehen.
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
1.6 Prozentrechnung<br />
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
a = b + x | – b<br />
a – b= x<br />
x = a – b<br />
a = b – x | + x<br />
a + x = b | – a<br />
x = b – a<br />
x : a = b | · a<br />
x = b · a<br />
a : x = b | · x<br />
a = b · x | : b<br />
a : b = x<br />
x = b<br />
Lösen Sie die Aufgabe 17 im Übungsbuch!<br />
Minos<br />
Im täglichen Leben trifft man oft auf Werte, die in Prozent angegeben<br />
werden. Es wird angegeben, um wieviel Prozent ein Preis gestiegen oder<br />
gesunken ist oder wieviel Prozent der Bevölkerung ein bestimmtes Lebensalter<br />
haben.<br />
Dabei wird der Wert, auf den die Prozentangabe sich bezieht, gleich 100<br />
gesetzt und der Prozentwert als Anteil von diesen 100 angegeben. Eine<br />
Aussage zum absoluten Wert findet <strong>da</strong>bei nicht statt.<br />
Eine Flasche mit einem Inhalt von einem Liter ist zu 60 % gefüllt. Eine<br />
zweite Flasche mit einem Inhalt von 2 Litern ist nur zu 40 % gefüllt. Trotzdem<br />
befindet sich in der zweiten Flasche absolut gesehen mehr Flüssigkeit<br />
als in der ersten Flasche.<br />
Bei der Flasche mit einem Liter Inhalt wird dieser gleich 100 % gesetzt.<br />
60 % <strong>da</strong>von sind <strong>da</strong>nn 0,6 Liter.<br />
1 Liter : 100 % = 0,6 Liter : 60 %<br />
Die Flasche mit zwei Litern Inhalt ist zwar nur zu 40 % gefüllt, <strong>da</strong> diese<br />
zwei Liter jedoch mit 100 % angesetzt werden entspricht der Anteil von<br />
40 % einer absoluten Menge von 0,8 Litern.<br />
2 Liter : 100 % = 0,8 Liter : 40 %<br />
Bei der Prozentrechnung steht nur der Wert von 100 % immer fest. Je<br />
nach Aufgabenstellung ist einer der drei <strong>and</strong>eren Werte unbekannt und<br />
kann <strong>da</strong>nn nach dem entsprechenden Umstellen der Gleichung berechnet<br />
werden.<br />
Lösen Sie die Aufgabe 18 im Übungsbuch!<br />
25
26<br />
Minos<br />
1.6.1 Zinsrechnung<br />
Beispiel<br />
Beispiel<br />
Grundlagen<br />
Leiht man sich Geld, so ist normalerweise für diese leihweise Überlassung<br />
einen Zins zu bezahlen. Der Zins wird in Prozent angegeben. Dieser<br />
Prozentsatz legt fest, wieviel Zinsen man in einem Jahr für 100 Euro<br />
zu zahlen hat.<br />
Wieviel Prozent beträgt der Zins, wenn für einen Kredit von 100 000 Euro<br />
12 000 Euro Zinsen gezahlt werden müssen? 100 % der geliehenen<br />
Summe sind die 100 000 Euro. Die Prozentzahl von den 12 000 Euro<br />
soll berechnet werden.<br />
100 % : 100000 Euro = x % : 12000 Euro<br />
Nach dem Umstellen der Gleichung kann der Wert für die Zinsen mit<br />
12 % berechnet werden.<br />
Zur Vereinfachung kann man bei der Berechnung auch die 100 % weglassen.<br />
Der Prozentsatz berechnet sich <strong>da</strong>nn aus den Zinsen geteilt durch<br />
die Kreditsumme.<br />
x = 12000 Euro : 100000 Euro = 0,12<br />
Das Ergebnis muss anschließend aber noch mit den weggelassenen<br />
100 % multipliziert werden, so <strong>da</strong>ss sich im Ergebnis wieder ein Zins von<br />
12 % ergibt.<br />
Bei der Berechnung mit dem Taschenrechner wird die Multiplikation mit<br />
100 % durchgeführt, indem man nach der Division anstatt des Gleichheitszeichens<br />
die Prozenttaste drückt. Bei fremden Geräten sollte man<br />
diese Funktionsweise des Taschenrechners aber an einfachen Beispielen<br />
überprüfen.<br />
Mit der Zinsenszinsrechnung wird berücksichtigt, <strong>da</strong>ss Zinsen über mehrere<br />
Jahre gezahlt werden.<br />
Befinden sich auf einem Sparbuch 1000 Euro und bleibt <strong>da</strong>s Guthaben<br />
5 Jahre lang mit einem Zinssatz von 3 % angelegt, so würde bei der<br />
Berechnung der Zinsen für ein Jahr und der anschließenden Multiplikation<br />
mit den fünf Jahren nur ein Guthaben von 1150 Euro auf dem Sparbuch<br />
sein.
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Es ist jedoch so, <strong>da</strong>ss sich nach dem ersten Jahr 1030 Euro auf dem<br />
Sparbuch befinden, die im zweiten Jahr mit 3 % verzinst werden. Die<br />
Berechnung erfolgt allgemein nach folgender Formel, wobei G 0 <strong>da</strong>s Anfangskapital<br />
ist und Gn <strong>da</strong>s Kapital nach n Jahren. Bei z wird der Zins<br />
eingetragen und n steht für die Anzahl der Jahre.<br />
G n = G 0 (1 + z/100) n<br />
Für fünf Jahre und einen Zins von 3 % ergibt sich nach Einsetzen in die<br />
Formel folgendes Ergebnis:<br />
G 5 = 1000 Euro · (1 + 3/100) 5<br />
G 5 = 1000 Euro · (1 + 0,03) 5<br />
G 5 = 1000 Euro · 1,03 5<br />
G 5 = 1159,27 Euro<br />
Der Unterschied zur vorangegangenen Berechnung ist hier noch nicht<br />
all zu groß, bei längerer Laufzeit und höheren Zinsen werden jedoch<br />
deutliche Unterschiede sichtbar.<br />
Bei einem Zins von 3 % <strong>da</strong>uert es etwa 24 Jahre bis sich die eingezahlte<br />
Summe verdoppelt hat. Würde man <strong>da</strong>gegen die erzielten Zinsen nicht<br />
weiter in die Zinsberechnung einbeziehen, so würde es etwa 33 Jahre<br />
<strong>da</strong>uern bis eine Verdopplung erreicht ist.<br />
Wird ein Kredit mit immer den gleichen Raten zurückgezahlt, so wird zu<br />
Beginn der Rückzahlung ein größerer Teil der Rate zum Begleichen der<br />
Zinsen benötigt und nur mit dem Rest wird der Kredit verringert. Erst im<br />
Laufe der Abzahlung wird der Anteil der Zinsen geringer und mit jeder<br />
Rate wird ein größerer Teil des Kredites abgezahlt.<br />
Lösen Sie die Aufgabe 19 im Übungsbuch!<br />
27
28<br />
Minos<br />
1.7 Geometrie<br />
1.7.1 Winkel<br />
Grundlagen<br />
Zur Einführung in die Geometrie müssen zunächst einige Definitionen<br />
getroffen werden.<br />
Ein Körper hat eine Ausdehnung in drei Richtungen. Er hat eine Länge,<br />
eine Breite und eine Höhe und ist somit dreidimensional. Eine Fläche<br />
dehnt sich nur in zwei Dimensionen aus. So besteht beispielsweise die<br />
Oberfläche eines Würfels aus mehreren Flächen. Eine Linie ist eine Kante<br />
des Würfels. Sie hat nur eine Ausdehnung in eine Richtung. Ein Punkt<br />
hat gar keine Ausdehnung, er ist unendlich klein. Es kann als Schnittpunkt<br />
von zwei Linien verst<strong>and</strong>en werden.<br />
Neben dem Punkt gehört auch die Gerade zu den Grundbausteinen der<br />
Geometrie. Sie ist <strong>da</strong>durch definiert, <strong>da</strong>ss sie durch zwei Punkte verläuft<br />
und weder einen Anfang noch ein Ende hat.<br />
Zwei Geraden in einer Ebene können sich maximal in einem Punkt schneiden.<br />
Eine Ausnahme besteht <strong>da</strong>rin, <strong>da</strong>ss alle ihre Punkte übereinstimmen.<br />
Sie liegen <strong>da</strong>nn exakt überein<strong>and</strong>er. Schneiden sich zwei Geraden<br />
in einer Ebene nicht, so nennt man sie Parallelen.<br />
Ein Strahl ist ebenfalls eine unendlich lange Linie. Im Gegensatz zur<br />
Geraden hat ein Strahl jedoch einen Anfangspunkt. Das <strong>and</strong>ere Ende<br />
läuft weiter bis ins unendliche.<br />
Eine Strecke verläuft wie eine Gerade durch zwei Punkte, jedoch begrenzen<br />
diese beiden Punkte die Länge der Strecke. Eine Strecke ist<br />
somit die kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten.<br />
Gehen zwei Strahlen von einem gemeinsamen Punkt aus, so bilden sie<br />
einen Winkel. Dreht man einen Strahl um den gemeinsamen Punkt bis<br />
er über dem <strong>and</strong>eren Strahl liegt, so gibt <strong>da</strong>s Maß dieser Drehung den<br />
Winkel an. Die beiden Strahlen werden auch als Schenkel des Winkels<br />
bezeichnet.<br />
Die Unterteilung eines Kreises erfolgt in 360 Teile, die Grad genannt<br />
werden. Einen Winkel mit 360° bezeichnet man als Vollwinkel.<br />
Hat der Winkel einen Wert zwischen 0° und 90°, so spricht man von<br />
einem spitzen Winkel. Ein stumpfer Winkel hat einen Wert zwischen 90°<br />
und 180°.<br />
Stehen die beiden Schenkel senkrecht aufein<strong>and</strong>er, so wird dieser Winkel<br />
als rechter Winkel bezeichnet. Er hat einen Wert von 90°.<br />
Liegen die beiden Strahlen ein<strong>and</strong>er genau gegenüber, so entsteht ein<br />
gestreckter Winkel mit einem Wert von 180°. Winkel mit einem Wert<br />
zwischen 180° und 360° werden überstumpfe Winkel genannt.
Grundlagen<br />
spitzer Winkel rechter Winkel stumpfer Winkel<br />
gestreckter Winkel überstumpfer Winkel Vollwinkel<br />
Bild 2: Einteilung der Winkel<br />
Winkel an sich<br />
schneidenden Geraden<br />
Bild 3: Winkel an geschnittenen Geraden<br />
Stufenwinkel<br />
Wechselwinkel<br />
Minos<br />
entgegengesetzt<br />
liegende Winkel<br />
Schneiden sich zwei Geraden, so entstehen <strong>da</strong>bei vier einzelne Winkel.<br />
Die beiden gegenüberliegenden Winkel sind <strong>da</strong>bei immer gleich groß<br />
und zwei benachbarte Winkel ergeben zusammen immer 180°.<br />
Werden zwei Parallelen von einer Gerade geschnitten, so entstehen insgesamt<br />
acht unterschiedliche Winkel. Die <strong>da</strong>bei gebildeten Stufenwinkel<br />
sind <strong>da</strong>bei immer gleich groß. Das gilt ebenso für die Wechselwinkel.<br />
Entgegengesetzt liegende Winkel ergeben zusammen immer einen Winkel<br />
von 180°.<br />
29
30<br />
Minos<br />
1.7.2 Viereck<br />
Beispiel<br />
Grundlagen<br />
Ein Viereck wird durch vier Punkte bestimmt, von denen immer nur zwei<br />
auf einer Geraden liegen dürfen. Je nach der Lage und der Länge der<br />
Seiten werden verschiedene Vierecke unterschieden.<br />
Beim Quadrat sind alle vier Seiten gleich lang. Die jeweils gegenüberliegenden<br />
Seiten sind parallel. Alle vier Winkel des Quadrates betragen<br />
90°.<br />
Der Flächeninhalt berechnet sich aus dem Quadrat der Seitenlänge.<br />
Dabei ist A der Flächeninhalt und a die Seitenlänge.<br />
A = a 2<br />
Der Umfang eines Quadrates berechnet sich aus der Summe der vier<br />
gleich langen Seiten.<br />
U = 4 · a<br />
Das Rechteck unterscheidet sich vom Quadrat <strong>da</strong>durch, <strong>da</strong>ss nur jeweils<br />
gegenüberliegende Seiten gleich lang sind. Für die Berechnung<br />
des Flächeninhaltes werden die beiden Seitenlängen mitein<strong>and</strong>er multipliziert.<br />
A = a · b<br />
Zur Berechnung des Umfanges werden die Längen der vier Seiten zusammengezählt.<br />
Da jeweils zwei Seitenlängen gleich sind, kann man<br />
den Umfang wie folgt berechnen:<br />
U = 2a + 2b<br />
Ein Zimmer soll mit Fußbodenbelag ausgelegt werden. Das Zimmer ist<br />
6 m lang und 4 m breit. Wieviel Quadratmeter sind erforderlich? Wieviel<br />
Meter Teppichkante benötigt man für <strong>da</strong>s ganze Zimmer, wenn Türen<br />
nicht mit berechnet werden?<br />
A = a · b<br />
A = 6 m · 4m<br />
A = 24 m 2<br />
U = 2a + 2b<br />
U = 2 · 6 m + 2 · 4m<br />
U = 12 m + 8 m<br />
U = 20 m<br />
Es werden 24 m 2 Fußbodenbelag benötigt. Die Teppichkante braucht<br />
man in einer Gesamtlänge von 20 m.
Grundlagen<br />
Quadrat Rechteck Rhombus Rhomboid<br />
Trapez Drachenviereck konkaves Viereck<br />
Bild 4: Bezeichnungen für Vierecke<br />
Aufgabe<br />
Minos<br />
Neben dem Quadrat und dem Rechteck gibt es noch eine Reihe weiterer<br />
Vierecke.<br />
Allgemein als Parallelogramme werden Vierecke bezeichnet, bei denen<br />
die beiden gegenüberliegenden Seiten parallel und gleich lang sind. Somit<br />
gehören auch <strong>da</strong>s Quadrat und <strong>da</strong>s Rechteck zu den Parallelogrammen.<br />
Das Rhombus, auch Raute genannt, hat wie <strong>da</strong>s Quadrat vier gleich<br />
lange Seiten. Die Winkel im Rhombus sind allerdings keine rechten Winkel<br />
und haben somit Werte ungleich 90°. Beim Rhomboid sind wie beim<br />
Rechteck die gegenüberliegenden Seiten gleich lang, doch auch hier<br />
sind die Winkel nicht 90°.<br />
Beim Trapez sind nur zwei gegenüberliegende Seiten parallel. Alle vier<br />
Seiten können unterschiedlich lang sein. Beim Drachenviereck <strong>da</strong>gegen<br />
sind jeweils zwei beiein<strong>and</strong>erliegende Seiten gleich lang. Keine Seite ist<br />
parallel zu einer <strong>and</strong>eren. Das ist die typische Form eines Kinderdrachens.<br />
Weiterhin besteht noch die Möglichkeit, <strong>da</strong>ss ein Viereck konkav ist. Dies<br />
bedeutet, <strong>da</strong>s eine Ecke nach innen einspringt.<br />
Bei allen diesen Vierecken ist es oftmals am günstigsten, die Fläche in<br />
Dreiecke aufzuteilen und den Inhalt aller Dreiecke zu berechnen. Für die<br />
Berechnung des Umfanges können die Längen aller vier Seiten addiert<br />
werden.<br />
Lösen Sie die Aufgabe 20 im Übungsbuch!<br />
31
32<br />
Minos<br />
1.7.3 Dreieck<br />
Wichtig<br />
A<br />
Grundlagen<br />
Ein Dreieck wird durch drei Punkte bestimmt, die nicht auf einer Geraden<br />
liegen dürfen. Die drei Punkte werden mit A, B und C bezeichnet,<br />
die diesen Punkten gegenüberliegenden Seiten mit den kleinen Buchstaben<br />
a, b und c. Die Winkel im Dreieck bekommen die griechischen<br />
Buchstaben α (alpha), β (beta) und γ (gamma).<br />
Die Summe der drei Innenwinkel in einem Dreieck beträgt immer 180°.<br />
Dreiecke werden nach ihrer Form unterschieden. Ein spitzwinkliges Dreieck<br />
hat nur Winkel, die kleiner als 90° sind. Bei einem stumpfwinkligen<br />
Dreieck ist ein Winkel größer als 90°. Das rechtwinklige Dreieck hat einen<br />
rechten Winkel. Für diese Dreiecke gelten einige besondere Gesetzmäßigkeiten.<br />
Sind zwei Seiten eines Dreieckes gleich lang, so wird es gleichschenklig<br />
genannt. Sind alle drei Seiten gleich lang h<strong>and</strong>elt es sich um ein gleichseitiges<br />
Dreieck. Hier sind auch die Innenwinkel gleich groß, nämlich<br />
60°.<br />
Eine Linie, die von einem Eckpunkt aus senkrecht auf die gegenüberliegende<br />
Seite führt, wird als Höhe h bezeichnet. Da von den drei<br />
Eckpunkten aus drei Höhen gebildet werden können, bezeichnet man<br />
die unterschiedlichen Höhen mit der Seite, auf der sie steht, also h a , h b<br />
und h c .<br />
spitzwinklig rechtwinklig stumpfwinklig gleichschenklig gleichseitig<br />
Bild 5: Formen der Dreiecke<br />
α<br />
b<br />
c<br />
γ<br />
C<br />
β<br />
a<br />
B
Beispiel<br />
Wichtig<br />
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Beim gleichschenkligen Dreieck teilt die Höhe auf die unterschiedlich<br />
lange Seite diese in zwei gleich lange Teile.<br />
Der Flächeninhalt eines Dreiecks beträgt allgemein die Hälfte des Produktes<br />
aus der Höhe und der Seite, auf dem die Höhe steht:<br />
A = 1<br />
2<br />
Bei einem Dreieck hat die Seite c eine Länge von 5 cm. Die Höhe h c auf<br />
dieser Seite beträgt 4 cm. Wie groß ist die Fläche des Dreiecks?<br />
Da die Höhe immer senkrecht auf eine Seite fällt, unterteilt sie <strong>da</strong>s Dreieck<br />
in zwei rechtwinklige Dreiecke. Da für rechtwinklige Dreiecke besondere<br />
Rechenregeln gelten ist es oftmals vorteilhaft, eine Fläche in<br />
rechtwinklige Dreiecke zu zerlegen.<br />
Beim rechtwinkligen Dreieck wird die Seite, die dem rechten Winkel gegenüber<br />
liegt, als Hypotenuse bezeichnet. Die beiden <strong>and</strong>eren Seiten<br />
werden Katheten genannt.<br />
Für <strong>da</strong>s rechtwinklige Dreieck gilt der Satz des Pythagoras. Dieser besagt,<br />
<strong>da</strong>ss in einem rechtwinkligen Dreieck die Fläche des Quadrates<br />
über der Hypotenuse gleich ist der Summe der Flächen der Quadrate<br />
über den Katheten. Als Formel wird dies wie folgt <strong>da</strong>rgestellt:<br />
c 2 = a 2 + b 2<br />
1<br />
1<br />
⋅h ⋅a = ⋅h ⋅b = ⋅h ⋅c<br />
a 2 b 2 c<br />
A = 1<br />
h c<br />
2<br />
A = 1<br />
4cm 5cm<br />
2<br />
A = 10cm 2<br />
⋅ ⋅<br />
c<br />
⋅ ⋅<br />
Die beiden Katheten eines rechtwinkligen Dreiecks sind 3 cm und 4 cm<br />
lang. Wie lang ist die Hypotenuse des Dreiecks?<br />
c 2 = a 2 + b 2<br />
c 2 = 3 2 cm 2 + 4 2 cm 2<br />
c 2 = 9 cm 2 + 16 cm 2<br />
c 2 = 25 cm 2<br />
c = 5 cm<br />
Die Hypotenuse des Dreiecks ist 5 cm lang.<br />
Lösen Sie die Aufgabe 21 im Übungsbuch!<br />
33
34<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
a 2<br />
a b<br />
c<br />
Bild 6: Lehrsatz des Pythagoras<br />
Beispiel Bei einem gleichschenkligen Dreieck sind die beiden Seiten a und b 13 cm<br />
lang. Die Seite c ist 10 cm lang. Wie groß ist die Fläche des Dreiecks?<br />
c 2<br />
Zuerst muss die Höhe berechnet werden. Dazu wird <strong>da</strong>s gleichschenklige<br />
Dreieck in zwei rechtwinklige Dreiecke aufgeteilt. Die Hypotenuse<br />
eines rechtwinkligen Dreiecks hat nun eine Länge von 13 cm und eine<br />
Kathete hat die Hälfte der Länge der Seite c, also 5 cm. Diese Teilstrekke<br />
wird hier mit d bezeichnet. Mit dem Satz des Pythagoras kann nun die<br />
Höhe berechnet werden.<br />
a2 2 2 = h + d c<br />
2 2 2 = a – d<br />
hc hc hc hc 2 = 13 2 cm 2 – 5 2 cm 2<br />
2 = 169 cm 2 – 25 cm 2<br />
2 = 144 cm 2<br />
h c = 12 cm<br />
Mit der Höhe und der Länge der Seite c kann nun die Fläche berechnet<br />
werden.<br />
A = 1<br />
h c<br />
2<br />
A = 1<br />
⋅ ⋅<br />
c<br />
⋅12 cm ⋅10<br />
cm<br />
2<br />
A =<br />
2<br />
60cm<br />
b 2
1.7.4 Winkelfunktionen<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Für die Berechnung am rechtwinkligen Dreieck können auch die Winkelfunktionen<br />
Sinus, Kosinus und Tangens verwendet werden. Andere Dreiecke<br />
müssen deshalb in rechtwinklige Dreiecke aufgeteilt werden, wenn<br />
Berechnungen mit Winkelfunktionen erfolgen sollen.<br />
Neben der Hypotenuse werden die beiden Katheten unterschiedlich bezeichnet.<br />
Die Ankathete ist die Kathete, die mit der Hypotenuse den für<br />
die Berechnung betrachteten Winkel bildet. Die Gegenkathete <strong>da</strong>gegen<br />
liegt gegenüber diesem Winkel.<br />
Der Sinus eines Winkels berechnet sich aus der Gegenkathete geteilt<br />
durch die Hypotenuse.<br />
sin = Gegenkathete<br />
α<br />
Hypotenuse<br />
Um vom Sinus des Winkels wieder den Winkel selbst zu bestimmen<br />
wurden früher Tabellenbücher benutzt. Heutzutage ist dies mit dem Taschenrechner<br />
leichter durchzuführen. Winkelfunktionen sind aber nur auf<br />
wissenschaftlichen Taschenrechnern zu finden.<br />
Um von dem Winkel 30° den Sinus zu berechnen, muss man zunächst<br />
den Wert 30 eingeben und die Taste SIN drücken. Die Berechnung war<br />
richtig, wenn <strong>da</strong>s Ergebnis 0,5 angezeigt wird. Für die umgekehrte Berechnung<br />
vom Sinus zurück auf den Winkel sind unterschiedliche Tasten<br />
zu finden. Meistens werden diese mit einer Taste für weitere Funktionen<br />
aufgerufen und als ARC SIN oder SIN –1 bezeichnet. Nach Eingabe von<br />
dem Wert 0,5 und der entsprechenden Taste wird <strong>da</strong>durch der Wert des<br />
Winkels mit 30° berechnet.<br />
α<br />
Hypotenuse<br />
Ankathete<br />
Bild 7: Winkelfunktion am Dreieck<br />
Gegenkathete<br />
35
36<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
Beispiel Ein rechtwinkliges Dreieck hat eine Hypotenuse mit einer Länge von 5 cm.<br />
Die Gegenkathete des Winkels ist 3 cm lang. Wie groß ist der Winkel?<br />
Aufgabe<br />
sin = Gegenkathete<br />
Hypothenuse<br />
sin = 3cm<br />
α<br />
α<br />
5cm<br />
sin<br />
α = 0,6<br />
α ≈ 36,9°<br />
Bei einem rechtwinkligen Dreieck hat ein Winkel einen Wert von 50°. Die<br />
Gegenkathete ist 8 cm lang. Wie lang ist die Hypotenuse?<br />
sin = Gegenkathete<br />
Hypothenuse<br />
sin 50 = 8cm<br />
α<br />
°<br />
c<br />
c =<br />
8cm<br />
sin 50°<br />
c ≈ 10,44 cm<br />
Eine weitere Winkelfunktion berechnet sich aus der Ankathete und der<br />
Hypotenuse. Diese Winkelfunktion wird als Kosinus bezeichnet.<br />
cos α =<br />
Ankathete<br />
Hypotenuse<br />
Die dritte wichtige Winkelfunktion ist der Tangens. Der Tangens eines<br />
Winkels berechnet sich aus der Division der Gegenkathete durch die<br />
Ankathete.<br />
tan = Gegenkathete<br />
α<br />
Ankathete<br />
Lösen Sie die Aufgabe 22 im Übungsbuch!
1.7.5 Kreis<br />
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Der Kreis wird durch seinen Radius bestimmt. Der Radius wird vom Mittelpunkt<br />
zum R<strong>and</strong> des Kreises gemessen. Der Durchmesser des Kreises<br />
entspricht genau dem Doppelten des Radius.<br />
Das Verhältnis vom Umfang zum Durchmesser eines Kreises ergibt die<br />
Zahl π. Dieser Buchstabe wird als Pi ausgesprochen. Diese Zahl ist irrational,<br />
<strong>da</strong>s heisst, sie hat unendlich viele Stellen nach dem Komma, wobei<br />
sich keine Regelmäßigkeiten erkennen lassen. Die ersten Stellen<br />
der Zahl π lauten: 3,1415926535. Für praktische Rechnungen wird die<br />
Zahl oft auf 2 oder 4 Stellen gerundet.<br />
Die Formel für die Berechnung des Umfanges eines Kreises lautet:<br />
U = π ⋅d = 2⋅π ⋅r<br />
Auch für die Berechnung der Fläche eines Kreises wird die Zahl π benötigt.<br />
Die Formel für die Berechnung der Fläche lautet:<br />
A = 1<br />
4<br />
2 2<br />
⋅π ⋅d = π ⋅r<br />
Ein Kreis hat einen Umfang von 20 cm. Wie groß ist sein Durchmesser?<br />
Wie groß ist die Fläche dieses Kreises? Runden Sie <strong>da</strong>s Ergebnis auf<br />
zwei Stellen nach dem Komma.<br />
U = d<br />
d = U<br />
π ⋅<br />
π<br />
d =<br />
20 cm<br />
3,1416<br />
d ≈ 6,37cm<br />
A = 1<br />
d<br />
4<br />
A = 1<br />
2<br />
⋅π⋅ ⋅ 3,1416 ⋅ 6,37<br />
4<br />
cm<br />
A ≈<br />
2<br />
31,87 cm<br />
2 2<br />
Lösen Sie die Aufgabe 23 im Übungsbuch!<br />
37
38<br />
Minos<br />
1.7.6 Körper<br />
Beispiel<br />
Grundlagen<br />
Ein Körper dehnt sich in allen drei Dimensionen aus. Er wird einer Oberfläche<br />
umgeben. Der Inhalt eines Körpers wird als Volumen bezeichnet.<br />
Ein Würfel wird von sechs gleich großen Quadraten begrenzt. Die Oberfläche<br />
des Würfels beträgt demzufolge:<br />
A = 6 · a 2<br />
Da bei dem Würfel alle Seiten gleich lang sind, berechnet sich <strong>da</strong>s Volumen<br />
nach folgender Formel:<br />
V = a 3<br />
Der Würfel ist eine Sonderform des Quaders. Bei einem Quader sind<br />
jeweils die gegenüberliegenden Flächen gleich große Rechtecke. Der<br />
Inhalt der Oberfläche berechnet sich demzufolge aus der Summe der<br />
insgesamt sechs Flächen.<br />
A = 2 (a · b + a · c + b · c)<br />
Für die Berechnung des Volumens werden die drei Seitenlängen mitein<strong>and</strong>er<br />
multipliziert.<br />
V = a · b · c<br />
Beim Zylinder bestehen zwei gegenüberliegende Seiten aus Kreisen.<br />
Die Verbindung der Kreise erfolgt durch die Mantelfläche des Zylinders.<br />
Die Oberfläche des Zylinders berechnet sich aus den beiden Kreisflächen<br />
und der Mantelfläche, die sich wieder aus dem Umfang des Kreises<br />
und der Höhe des Zylinders berechnen lässt. Das Volumen eines<br />
Zylinders berechnet man aus der Fläche des Kreises und der Höhe des<br />
Zylinders.<br />
Ein Zylinder hat einen Durchmesser von 5 cm und eine Höhe von 20 cm.<br />
Wie groß ist die Oberfläche und <strong>da</strong>s Volumen des Zylinders? Zunächst<br />
wird die Fläche und der Umfang des Kreises berechnet.<br />
A = 1<br />
d<br />
4<br />
A = 1<br />
2<br />
⋅π⋅ 2 2<br />
⋅3,1416 ⋅5cm<br />
4<br />
A =<br />
2<br />
19,635 cm<br />
U = π ⋅ d<br />
U = 3,1416 ⋅<br />
5 cm<br />
U = 15,708 cm
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Aus der Umfang des Kreises und der Höhe wird die Mantelfläche berechnet.<br />
A M = U · h<br />
A M = 15,708 cm · 20 cm<br />
A M = 314,16 cm 2<br />
Die Gesamtfläche ergibt sich aus der Summe der beiden Kreisflächen<br />
und der Mantelfläche.<br />
A Zyl = 2 · A Kr + A M<br />
A Zyl = 2 · 19,635 cm 2 + 314,16 cm 2<br />
A Zyl = 353,43 cm 2<br />
Das Volumen wird durch Multiplikation der Kreisfläche mit der Höhe ermittelt.<br />
V Zyl = A · h<br />
V Zyl = 19,635 cm 2 · 20 cm<br />
V Zyl = 392,7 cm 3<br />
Im Gegensatz zum Zylinder hat <strong>da</strong>s Prisma keine kreisförmigen Flächen,<br />
sondern Flächen mit drei, vier oder mehr Ecken. Somit ist der Quader<br />
mit Rechtecken als Flächen ein Sonderfall des Prismas.<br />
Die Kugel ist ein Körper, bei dem alle Oberflächenpunkte den gleichen<br />
Abst<strong>and</strong> vom Mittelpunkt haben. Diese Entfernung der Oberfläche vom<br />
Mittelpunkt wird Radius genannt. Die Fläche der Kugeloberfläche berechnet<br />
sich nach folgender Formel:<br />
A = 4 · π · r 2<br />
Der Rauminhalt der Kugel wird nach dieser Formel berechnet:<br />
V = 4<br />
r<br />
3<br />
3<br />
⋅π⋅ Lösen Sie die Aufgabe 24 im Übungsbuch!<br />
Neben diesen Körpern gibt es noch eine Reihe weiterer Formen. Diese<br />
sollen jedoch hier nicht weiter besprochen werden.<br />
39
40<br />
Minos<br />
Grundlagen
Grundlagen<br />
2 Technische Physik<br />
2.1 Physikalische Grundlagen<br />
2.1.1 Physikalische Größen und Einheiten<br />
Beispiel<br />
Minos<br />
Die messbare Eigenschaft eines physikalischen Objekts wird als physikalische<br />
Größe bezeichnet. Mit physikalischen Berechnungen werden<br />
die verschiedenen physikalischen Größen mitein<strong>and</strong>er verknüpft. Die<br />
physikalischen Größen bestehen aus einer Maßzahl und einer Maßeinheit.<br />
Im internationalen Einheitensystem sind sieben Basisgrößen für die Physik<br />
festgelegt. Diese SI-Einheiten (französisch: Système International<br />
d‘ Unités) sind in der Tabelle <strong>da</strong>rgestellt.<br />
Basisgröße Basiseinheit Einheitszeichen<br />
Länge<br />
Masse<br />
Zeit<br />
Stromstärke<br />
Temperatur<br />
Stoffmenge<br />
Lichtstärke<br />
Tabelle 1: SI-Einheiten<br />
Meter<br />
Kilogramm<br />
Sekunde<br />
Ampere<br />
Kelvin<br />
Mol<br />
C<strong>and</strong>ela<br />
m<br />
kg<br />
s<br />
A<br />
K<br />
mol<br />
Aus diesen Basisgrößen können weitere Größen gebildet werden.<br />
Die Geschwindigkeit ist aus der Länge und der Zeit zusammengesetzt.<br />
In einer bestimmten Zeit wird eine bestimmte Länge zurückgelegt. Die<br />
Einheit ist demzufolge m/s.<br />
Die Beschleunigung ist die Änderung der Geschwindigkeit in einer bestimmte<br />
Zeit. Als Einheit ergibt sich somit m/s 2 .<br />
cd<br />
41
42<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
Da die Zahlenwerte oftmals sehr groß oder sehr klein sein können, werden<br />
sie mit Vorsätzen versehen. Diese Vorsätze werden vor die Einheit<br />
geschrieben. Dabei werden vorrangig Tausender Schritte verwendet.<br />
Wichtige Vorsätze sind in der Tabelle aufgeführt.<br />
Vorsatz Vorsatzzeichen Faktor<br />
Nano n 0,<br />
000<br />
000<br />
001<br />
M ikro<br />
µ 0,<br />
000<br />
001<br />
Milli m 0,<br />
001<br />
Kilo k 1000<br />
Mega M 1 000<br />
000<br />
Giga G 1 000<br />
000<br />
000<br />
Tabelle 2: Vorsätze der SI-Einheiten<br />
Beispiel Eine Straße ist 5,8 km lang. Ein Kilometer entsprechen 1000 m. Somit<br />
ist die Straße 5800 m lang.<br />
Aufgabe<br />
Die physikalischen Größen sollten <strong>da</strong>bei bevorzugt so <strong>da</strong>rgestellt werden,<br />
<strong>da</strong>ss vor dem Komma nur wenige Stellen stehen.<br />
Lösen Sie die Aufgabe 25 im Übungsbuch!<br />
Um weitere physikalische Größen aus den verschiedenen Basiseinheiten<br />
zu erhalten, werden sie mittels mathematischer Formeln mitein<strong>and</strong>er<br />
verknüpft. Damit diese Formeln allgemein gültig sind, werden diese Größen<br />
durch Formelbuchstaben ersetzt.<br />
Für die Kraft wird der Buchstabe F verwendet und für die Masse <strong>da</strong>s M.<br />
Dieser Buchstabe <strong>da</strong>rf nicht mit der Einheit Meter verwechselt werden,<br />
die durch ein kleines m <strong>da</strong>rgestellt wird.<br />
Mit dem Begriff Dimension wird der Bezug zur Grundgröße festgelegt.<br />
Eine Breite oder ein Radius haben die Dimension Länge und werden mit<br />
der Maßeinheit Meter versehen.<br />
Als dimensionslos werden physikalische Größen bezeichnet, bei denen<br />
sich die Einheiten wegkürzen und so genaugenommen 1 ergeben. So<br />
eine dimensionslose Größe ist beispielsweise der Luftwiderst<strong>and</strong>sbeiwert.
Grundlagen<br />
2.1.2 Physikalische Gleichungen<br />
Beispiel<br />
Minos<br />
Mathematische Gleichungen, in denen physikalische Größen verwendet<br />
werden, werden Größengleichungen genannt. Die Kraft berechnet sich<br />
beispielsweise nach der Formel Kraft = Masse · Beschleunigung.<br />
Nach dem Einsetzen der Formelbuchstaben ergibt sich die Größengleichung<br />
F = m · a<br />
Durch Einsetzen von Werten können nun verschiedene Kräfte berechnet<br />
werden. Die Einheiten sollten <strong>da</strong>bei immer mit aufgeschrieben und in<br />
die Berechnung einbezogen werden. Somit ist eine Kontrolle der Berechnung<br />
möglich, <strong>da</strong> die Einheit des Ergebnisses ja schon bekannt ist.<br />
F = m · a<br />
F = 1 kg · 10 m/s 2<br />
F = 10 kg · m/s 2<br />
F = 10 N<br />
Berechnungen ohne Einheiten kommen in der Physik nicht vor. Da in<br />
diesem Fall als Ergebnis nur ein Zahlenwert ermittelt wird, ist nicht klar,<br />
was dieser Wert <strong>da</strong>rstellen soll. Aus einer Kraft von 10 somit ist nicht zu<br />
erkennen, ob es sich um Newton oder Kilonewton h<strong>and</strong>elt.<br />
43
44<br />
Minos<br />
2.2 Kraft<br />
Beispiel<br />
Wichtig<br />
Grundlagen<br />
Die Kraft wird mit dem Formelbuchstaben F bezeichnet. Die Einheit ist<br />
Newton, abgekürzt N.<br />
Eine Kraft wird benötigt, um eine bestimmte Masse zu beschleunigen. In<br />
einer Formel ausgedrückt wird dies so <strong>da</strong>rgestellt:<br />
F = m · a<br />
Um eine Masse von einem Kilogramm mit einer Beschleunigung von<br />
einem Meter pro Sekunde zum Quadrat zu beschleunigen, wird eine Kraft<br />
von einem Newton benötigt.<br />
F = m · a<br />
F = 1 kg · 1 m/s 2<br />
F = 1 N<br />
Welche Masse übt eine Kraft von einem Newton senkrecht nach unten<br />
aus, wenn diese Masse in der H<strong>and</strong> gehalten wird? Auf die Masse wirkt<br />
die Schwerebeschleunigung von 9,81 m/s 2 .<br />
m = F / a<br />
m = 1 N / 9,81 m/s 2<br />
m = 0,1019 kg<br />
Damit eine Kraft vollständig beschrieben ist, ist die Angabe ihres Betrages,<br />
also die Größe, ihre Lage und ihre Richtung erforderlich.<br />
F 1<br />
F 3<br />
Bild 8: Grafische Darstellung von Kräften<br />
F 2<br />
F 1 = F 2<br />
F 1 ≠ F 3
Grundlagen<br />
2.2.1 Addieren von Kräften<br />
Minos<br />
Die Kräfte werden häufig auch grafisch durch einen Pfeil symbolisiert.<br />
Die Länge des Pfeiles steht <strong>da</strong>bei für den Betrag. Die räumliche Lage<br />
der Kraft ist durch die Richtung und den Angriffspunkt des Pfeiles <strong>da</strong>rgestellt.<br />
Um <strong>da</strong>rzustellen, <strong>da</strong>ss es sich bei einer Kraft um einen Vektor h<strong>and</strong>elt,<br />
wird häufig ein Pfeil über den Buchstaben F gesetzt. Im englischsprachigen<br />
Raum wird die Darstellung mit einem Strich unter dem Buchstaben<br />
F bevorzugt.<br />
Die Kraftvektoren dürfen entlang ihrer Wirkungslinie, <strong>da</strong>s ist die Richtung,<br />
in der der Pfeil zeigt, verschoben werden. Eine parallele Verschiebung<br />
<strong>da</strong>rf nicht erfolgen, <strong>da</strong> sich hierbei der Angriffspunkt ändert.<br />
Die im Bild <strong>da</strong>rgestellt Kraft F 1 entspricht in ihrer Wirkung also der Kraft<br />
F 2 , <strong>da</strong> sie nur längs verschoben wurde. Die Kraft F 3 <strong>da</strong>gegen wirkt <strong>and</strong>ers<br />
als die Kraft F 1 , <strong>da</strong> sie an einem <strong>and</strong>eren Angriffspunkt ansetzt.<br />
Mehrere Kräfte, die auf einen Körper einwirken, können zu einer resultierenden<br />
Kraft zusammengefasst werden. Diese Kraft wird auch als Ersatzkraft<br />
bezeichnet.<br />
Einfach ist <strong>da</strong>s Zusammenfassen, wenn die Kräfte auf der gleichen<br />
Wirkungslinie liegen. In diesem Fall dürfen ihre Beträge addiert werden.<br />
Der resultierende Pfeil ist somit so lang wie die beiden einzelnen Pfeile.<br />
Ist die Wirkungsrichtung der Kräfte entgegengesetzt, so wird die kleinere<br />
Kraft von der größeren abgezogen. Der resultierende Pfeil ist <strong>da</strong>durch<br />
kleiner als der größere der beiden Einzelpfeile.<br />
F 1<br />
F 3<br />
F 2<br />
Bild 9: Addition von Kräften<br />
F 3 = F 1 + F 2<br />
F 1<br />
F 3<br />
F 2<br />
45
46<br />
Minos<br />
F 1<br />
F 2<br />
Grundlagen<br />
Bild 10: Grafische Addition von Kräften<br />
In der Vektorschreibweise werden die einzelnen Vektoren immer addiert.<br />
Auch wenn die einzelnen Pfeile in entgegengesetzte Richtung zeigen,<br />
h<strong>and</strong>elt es sich um eine Addition. Dies liegt <strong>da</strong>ran, <strong>da</strong>ss bei der Vektorschreibweise<br />
ein Vektor immer den Betrag und die Richtung enthält.<br />
Für <strong>da</strong>s Addieren mehrerer Kräfte, die in einem gemeinsamen Punkt<br />
angreifen, gibt es zwei grafische Möglichkeiten.<br />
Eine Möglichkeit besteht <strong>da</strong>rin, die Kraftvektoren anein<strong>and</strong>er anzutragen.<br />
Dazu wird der Anfang des zweiten Vektors an die Spitze des ersten<br />
Vektors gesetzt. Indem der Anfang des ersten Vektors mit der Spitze des<br />
zweiten Vektors verbunden wird, erhält man einen resultierenden Vektor<br />
der Kraft. Die Länge dieses Vektors entspricht dem Betrag der Kraft.<br />
Bei der zweiten Möglichkeit wird parallel zu den Kraftvektoren ein Parallelogramm<br />
aufgespannt. Die beiden neuen Seiten liegen <strong>da</strong>mit parallel<br />
zu jeweils einem der beiden Kraftvektoren.<br />
Der Startpunkt der resultierenden Kraft liegt im gemeinsamen Angriffspunkt<br />
der beiden Kraftvektoren, der Endpunkt ergibt sich aus dem Schnittpunkt<br />
der beiden neuen Seiten des Parallelogramms. Auch hier entspricht<br />
die Länge des Vektors dem Betrag der resultierenden Kraft.<br />
F 3 = F 1 + F 2<br />
F 1<br />
F 1<br />
F 2<br />
F 3<br />
F 3<br />
F 2
F 1<br />
F 2<br />
F 1 , F 2 , F 3<br />
Grundlagen<br />
Bild 11: Grafische Addition mehrerer Kräfte<br />
Minos<br />
Greifen an einem Körper mehrere Kräfte an verschiedenen Punkten an,<br />
so müssen sie vor der Addition erst entlang ihrer Wirkungslinien verschoben<br />
werden bis sie einen gemeinsamen Schnittpunkt haben. Danach<br />
können sie wie bisher addiert werden.<br />
Bei zwei Kräften, die nicht parallel zuein<strong>and</strong>er liegen, gibt es immer einen<br />
gemeinsamen Schnittpunkt. Bei drei oder mehr Kräften ist dies meistens<br />
nicht der Fall. Zum Addieren aller Kräfte werden deshalb zunächst<br />
zwei Kräfte in ihren Wirkungslinien zu einem gemeinsamen Schnittpunkt<br />
verschoben und anschließend addiert.<br />
Die resultierende Kraft wird nun wieder zum gemeinsamen Schnittpunkt<br />
mit der dritten Kraft verschoben und addiert. Gegebenenfalls wird diese<br />
neue Resultierende mit einer weiteren Kraft addiert.<br />
Dabei ist zu beachten, <strong>da</strong>ss die beiden Kräfte, die ein Parallelogramm<br />
aufspannen, in dessen resultierender Kraft enthalten sind. Diese Kräfte<br />
dürfen somit nicht zum Aufspannen weiterer Parallelogramme genutzt<br />
werden.<br />
F 3<br />
F 1<br />
F 2<br />
F 3<br />
F 1,2<br />
F 3<br />
F 1,2 = F 1 + F 2<br />
F 1,2,3<br />
F 1,2<br />
F 1,2,3 = F 1 + F 2 + F 3<br />
47
48<br />
Minos<br />
F 1<br />
Grundlagen<br />
Bild 12: Grafische Addition paralleler Kräfte<br />
Die Addition von parallelen Kräften ist nach dem bisher gezeigten Weg<br />
nicht möglich, <strong>da</strong> bei parallelen Wirkungslinien keine Schnittpunkte möglich<br />
sind.<br />
Für die Addition von zwei parallelen Kräften werden deshalb zwei Hilfskräfte<br />
eingeführt. Diese beiden Hilfskräfte müssen gleich groß, ihre Richtungen<br />
allerdings entgegengesetzt sein. Sie sollten am Anfangspunkt<br />
der parallelen Kräfte ansetzten. Da beide Hilfskräfte gleich groß sind,<br />
heben sie sich durch die entgegengesetzte Richtung wieder auf. Ihre<br />
Summe ist somit gleich Null.<br />
Jeweils eine Kraft und eine Hilfskraft werden anschließend addiert. Dadurch<br />
ergeben sich zwei resultierende Kräfte. Da diese resultierenden<br />
Kräfte nicht mehr parallel wirken, haben sie einen gemeinsamen Schnittpunkt<br />
in den Wirkungslinien und sie können wie bisher addiert werden.<br />
Sollen mehr als zwei parallele Kräfte mitein<strong>and</strong>er addiert werden, so sind<br />
auch in diesem Fall zunächst zwei Kräfte zu addieren. Danach wird die<br />
resultierende Kraft mit der dritten Kraft addiert. Auch <strong>da</strong>für sind wieder<br />
Hilfskräfte zu verwenden, die sich wieder gegenseitig aufheben.<br />
Die Addition weiterer Kräfte erfolgt nach dem gleichen Prinzip.<br />
F 2 F 1 F 2<br />
F 1,h<br />
F h<br />
F h<br />
F 2,h<br />
F 1,2
Grundlagen<br />
2.2.2 Zerlegen von Kräften<br />
Y-Achse<br />
Aufgabe<br />
F 1<br />
Bild 13: Grafische Zerlegung von Kräften<br />
Minos<br />
Das umgekehrte Prinzip zum Addieren von Kräften wird als Zerlegung<br />
von Kräften bezeichnet. Man benötigt dies, wenn man wissen will, wie<br />
groß die Anteile einer Kraft in bestimmte Richtungen ist. Im Gegensatz<br />
zur Addition wird bei der Zerlegung der Kräfte vorgegeben, in welcher<br />
Richtung die Teilkräfte wirken sollen.<br />
In einem Koordinatensystem mit einer X-Achse und einer Y-Achse ist ein<br />
Kraftvektor eingetragen. Es ist zu ermitteln, wie groß der Kraftanteil in<br />
der X-Richtung und in der Y-Richtung ist.<br />
Um die Teilkräfte zu ermitteln, werden die X-Achse und die Y-Achse jeweils<br />
so verschoben, <strong>da</strong>ss sie durch den Anfang und <strong>da</strong>s Ende des Kraftvektors<br />
gehen. Dadurch entsteht ein Viereck, bei dem der Kraftvektor<br />
zwei gegenüberliegende Ecken berührt.<br />
Die beiden Seiten des Vierecks, die vom Anfang des Kraftvektors ausgehen,<br />
sind die Anteile der Kraft in der X-Richtung und in der Y-Richtung.<br />
Die Länge der beiden Pfeile entspricht der Größe der Teilkräfte in<br />
der jeweiligen Richtung.<br />
Lösen Sie die Aufgaben 26 und 27 im Übungsbuch!<br />
X-Achse<br />
Y-Achse<br />
F Y<br />
F 1<br />
F X<br />
X-Achse<br />
49
50<br />
Minos<br />
2.3 Drehmoment<br />
Bild 14: Drehmoment<br />
Grundlagen<br />
Das Einwirken einer Kraft auf einen freibeweglichen Körper kann genau<br />
durch den Schwerpunkt des Körpers geschehen. In diesem Fall wird der<br />
Körper beschleunigt.<br />
Geht die Wirkungslinie einer Kraft bei einem frei beweglich Körper nicht<br />
durch den Schwerpunkt, so wird sich dieser durch die Krafteinwirkung<br />
drehen. Verursacht wird diese Drehung durch <strong>da</strong>s Drehmoment, <strong>da</strong>s durch<br />
<strong>da</strong>s Einwirken der Kraft entsteht.<br />
Das Drehmoment ist <strong>da</strong>s Produkt aus einer Kraft und dem Abst<strong>and</strong> der<br />
Wirkungslinie dieser Kraft zum Dreh- oder Schwerpunkt des Körpers.<br />
Die Wirkungslinie der Kraft steht <strong>da</strong>bei senkrecht zum Abst<strong>and</strong> vom Drehpunkt.<br />
Die Einheit des Drehmomentes wird ebenfalls aus der Multiplikation der<br />
Kraft und des Weges gebildet. Das Drehmoment wird somit in Newtonmeter<br />
angegeben. Die Berechnung des Drehmomentes erfolgt nach folgender<br />
Gleichung:<br />
Drehmoment = Kraft · Hebelarm<br />
M = F · l<br />
M<br />
l<br />
F
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Eine Schraube soll mit einem Drehmoment von 40 Nm angezogen werden.<br />
Der Schraubenschlüssel hat eine Länge von 200 mm. Mit welcher<br />
Kraft muss an dem Schraubenschlüssel gezogen werden, um <strong>da</strong>s geforderte<br />
Drehmoment zu erreichen?<br />
M = F · l<br />
F = M / l<br />
F = 40 Nm / 0,2 m<br />
F = 200 N<br />
An dem Schraubenschlüssel muss mit einer Kraft von 200 N gezogen<br />
werden.<br />
Wird ein <strong>and</strong>erer Schraubenschlüssel mit einer Länge von 400 mm verwendet,<br />
wird nur noch eine Kraft von 100 N benötigt. Im Gegensatz <strong>da</strong>zu<br />
wären 400 N notwendig, wenn der Schraubenschlüssel nur 100 mm lang<br />
wäre.<br />
Anstelle dieser einen Kraft ist es auch möglich, <strong>da</strong>s Drehmoment durch<br />
mehrere Kräfte zu erzeugen. Diese müssen <strong>da</strong>zu in einer Ebene liegen.<br />
Übertragen auf <strong>da</strong>s Beispiel bedeutet dies, <strong>da</strong>ss beispielsweise anstelle<br />
des Schraubenschlüssels ein Radkreuz zum Anziehen und Lösen von<br />
Radmuttern verwendet wird. Während an dem einen Hebel des Radkreuzes<br />
gezogen wird, wird auf der gegenüberliegenden Seite gedrückt.<br />
Dadurch wird deutlich, <strong>da</strong>ss bei mehreren Drehmomenten <strong>da</strong>s resultierende<br />
Drehmoment gleich der Summe der einzelnen Drehmomente ist.<br />
Lösen Sie die Aufgaben 28 bis 30 im Übungsbuch!<br />
F<br />
Bild 15: Addition von Drehmomenten<br />
M<br />
F<br />
51
52<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
2.4 Kräfte- und Momentengleichgewicht<br />
Auf einen Körper können gleichzeitig mehrere Kräfte und Momente einwirken.<br />
Der Körper bleibt <strong>da</strong>bei nur <strong>da</strong>nn in Ruhe, wenn sich die Wirkungen<br />
aller Kräfte und Momente gegenseitig aufheben.<br />
Diese Gleichgewichtsbedingung lässt sich wie folgt ausdrücken:<br />
Die Resultierende aller wirkenden Kräfte muss gleich Null sein.<br />
F 1 + F 2 + ... = 0<br />
Die Summe aller Drehmomente muss gleich Null sein.<br />
M 1 + M 2 + ... = 0<br />
Ein Ballon steigt weder nach oben oder sinkt nach unten, wenn sich<br />
Auftriebskraft und Gewichtskraft gegenseitig aufheben. Zur Seite bewegt<br />
sich der Ballon nicht, wenn kein Wind auf den Ballon einwirkt.<br />
Entsprechend wird der Ballon nicht in Drehung versetzt, wenn kein Drehmoment<br />
auf ihn einwirkt.<br />
Bild 16: Kräftegleichgewicht<br />
F A<br />
F G
2.5 Hebelgesetz<br />
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Ein Hebel ist ein starrer Körper, der um eine Achse drehbar ist. Mit dem<br />
Hebel kann die Richtung oder der Betrag einer Kraft verändert werden.<br />
Damit sich ein Hebel im Gleichgewicht befindet, müssen mindestens zwei<br />
Kräfte an ihm angreifen. Durch jede dieser Kräfte wird ein Drehmoment<br />
um den Drehpunkt erzeugt.<br />
Der Hebel befindet sich im Gleichgewicht, wenn die Summe aller Drehmomente,<br />
die durch angreifende Kräfte entstehen, gleich Null ist.<br />
An einer Balkenwaage hängt eine Last im Abst<strong>and</strong> von 20 cm vom Drehpunkt.<br />
Am <strong>and</strong>eren Arm der Waage befindet sich ein Gewicht mit einer<br />
Gewichtskraft von 5 N. Dieses hat einen Abst<strong>and</strong> von 50 cm zum Drehpunkt.<br />
Wie groß ist die Gewichtskraft der Last?<br />
F L · l L = F G · l G<br />
F L = F G · l G / l L<br />
F L = 5 N · 0,5 m / 0,2 m<br />
F L = 12,5 N<br />
Die Last hat eine Gewichtskraft von 12,5 N.<br />
Lösen Sie die Aufgabe 31 im Übungsbuch!<br />
F L<br />
Bild 17: Hebel an einer Balkenwaage<br />
l L<br />
l G<br />
F G<br />
53
54<br />
Minos<br />
2.6 Druck<br />
Grundlagen<br />
Gase und Flüssigkeiten, die sich in einem Behälter befinden, üben einen<br />
Druck auf die W<strong>and</strong> des Behälters aus. Dabei ist der Druck definiert<br />
durch die Kraft, die auf eine bestimmte Fläche einwirkt. Diese Gesetzmäßigkeit<br />
wird als Pascalsches Gesetz bezeichnet.<br />
p = F / A<br />
Druck = Kraft / Fläche<br />
Aus den Einheiten von Kraft und Fläche ergibt sich, <strong>da</strong>ss der Druck entsprechend<br />
den SI-Einheiten in N/m 2 angegeben würde. Um die Einheit<br />
zu vereinfachen wurde für den Druck die Einheit Pascal eingeführt.<br />
1 Pa = 1 N/m 2<br />
Ein Druck von einem Pascal ist ein recht kleiner Druck. Der Luftdruck auf<br />
der Erdoberfläche beträgt etwa <strong>da</strong>s 100 000 fache dieses Druckes. Deshalb<br />
werden Drücke häufig in Kilopascal oder Megapascal angegeben.<br />
1 000 Pa = 1 kPa<br />
1 000 000 Pa = 1 000 kPa = 1 MPa = 1 N/mm 2<br />
Bild 18: Pascalsches Gesetz<br />
F<br />
p
4<br />
p<br />
[bar]<br />
3<br />
2<br />
1<br />
Grundlagen<br />
Bild 19: Absolut- und Überdruck<br />
Minos<br />
Abweichend von den SI-Einheiten ist im technischen Bereich auch die<br />
Einheit bar weit verbreitet. Ein bar entspricht etwa dem Luftdruck auf der<br />
Erdoberfläche.<br />
1 bar = 100 000 Pa = 10 N/cm 2<br />
Der Luftdruck der Atmosphäre ist ein Absolutdruck. Er wird von einem<br />
drucklosen Raum aus gemessen. Für den Luftdruck wird <strong>da</strong>s Formelzeichen<br />
p amb verwendet. Dabei bedeutet amb ambiens, was mit umgebend<br />
übersetzt werden kann. Der Luftdruck schwankt in Abhängigkeit<br />
vom Wetter etwa im Bereich von 960 mbar bis 1040 mbar.<br />
Im technischen Bereich werden Drücke häufig als Überdrücke angegeben.<br />
Im Formelzeichen p e bedeutet <strong>da</strong>s e excedens, also überschreitend.<br />
Die Manometer an Behältern zeigen im allgemeinen den Überdruck an.<br />
Negative Überdrücke werden als Unterdruck bezeichnet. Auf der Erdoberfläche<br />
ist maximal ein Unterdruck von einem bar möglich.<br />
Für Berechnungen ist die Verwendung von Absolutdrücken p abs erforderlich.<br />
Die Absolutdrücke können nie kleiner als Null sein.<br />
p e = 2 bar p abs = 3 bar<br />
p amb = ca. 1 bar<br />
p e = – 0,4 bar p abs = 0,6 bar<br />
55
56<br />
Minos<br />
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
2.6.1 Kraftübersetzung<br />
Grundlagen<br />
Im Gegensatz zu den veralteten Einheiten ata und atü ist nur an der<br />
Einheit bar nicht erkennbar, ob es sich um einen Absolut- oder Überdruck<br />
h<strong>and</strong>elt. Bestehen Unklarheiten <strong>da</strong>rüber, so ist unbedingt mit anzugeben,<br />
worauf sich die Druckangabe bezieht.<br />
Ein Zylinder hat einen Kolbendurchmesser von 32 mm. Er wird mit einem<br />
Druck von 6 bar beaufschlagt. Wie groß ist die Kraft des Zylinders<br />
ohne Berücksichtigung von Verlusten?<br />
Ein runder Kolben mit einem Durchmesser von 32 mm hat eine Fläche<br />
von rund 8 cm 2 .<br />
p = F / A<br />
F = p · A<br />
F = 6 bar · 8cm 2<br />
F = 60 N/cm 2 · 8cm 2<br />
F = 480 N<br />
Der Zylinder kann bei einem Druck von 6 bar eine Kraft von 480 N aufbringen.<br />
Lösen Sie die Aufgaben 32 und 33 im Übungsbuch!<br />
Eine praktische Anwendung des Pascalschen Gesetzes ist die Kraftübersetzung.<br />
Ein Gas oder eine Flüssigkeit befindet sich in einem geschlossenen<br />
Behälter. In zwei verschieden großen Öffnungen befinden sich<br />
zwei Kolben.<br />
Durch <strong>da</strong>s Aufbringen einer Kraft auf die Kolben wird im Innern des Behälters<br />
ein Druck erzeugt. Sind die Kolben verschieden groß, so muss<br />
für einen Gleichgewichtszust<strong>and</strong> auf dem Kolben mit der größeren Fläche<br />
eine größere Kraft aufgebracht werden als auf den Kolben mit der<br />
kleineren Fläche.<br />
Bei einer Kraftübersetzung wird mit einer kleineren Kraft am kleineren<br />
Kolben eine größere Kraft an dem großen Kolben erzeugt. Nach diesem<br />
Prinzip arbeiten beispielsweise hydraulische Pressen.<br />
In Analogie zum Hebelgesetz muss jedoch der kleinere Kolben einen<br />
längeren Hub zurücklegen als der große Zylinder. Damit auch der größere<br />
Kolben einen längeren Weg zurücklegen kann, wird der kleinere<br />
Kolben mehrmals hin und herbewegt, wobei beim Rückhub immer neue<br />
Flüssigkeit nachgesaugt wird.
Beispiel<br />
Grundlagen<br />
Für die Kraftübersetzung gilt folgende Formel:<br />
p = F 1 / A 1 = F 2 / A 2<br />
Bild 20: Kraftübersetzung<br />
F 1<br />
A 1<br />
<<br />
<<br />
p<br />
F 2<br />
A 2<br />
Minos<br />
Innerhalb des Behälters kann ein zusätzlicher Kolben eingebaut sein.<br />
Dieser freibewegliche Kolben hat auf beiden Seiten gleich große Flächen.<br />
Dadurch bewegt er sich so im Medium mit, <strong>da</strong>ss auf beiden Seiten<br />
immer gleich große Drücke herrschen. In diesem Fall dient der Kolben<br />
zur Druckmitteltrennung und verhindert, <strong>da</strong>ss sich verschiedene Flüssigkeiten<br />
vermischen.<br />
Der kleinere Kolben hat eine Fläche von 5 cm 2 und der größere eine<br />
Fläche von 50 cm 2 . Auf den kleineren Kolben wirkt eine Kraft von 100 N.<br />
Wie groß ist die Kraft am größeren Kolben wenn alle Verluste vernachlässigt<br />
werden?<br />
F 1 / A 1 = F 2 / A 2<br />
100 N / 5 cm 2 = F 2 / 50 cm 2<br />
F 2 = (100 N / 5 cm 2 ) · 50 cm 2<br />
F 2 = 1000 N<br />
Durch die zehnfache Fläche erreicht man am größeren Kolben die zehnfache<br />
Kraft.<br />
57
58<br />
Minos<br />
2.6.2 Druckübersetzung<br />
Grundlagen<br />
Die Druckübersetzung ist ebenfalls eine Anwendung des Pascalschen<br />
Gesetzes. Dabei wird ein frei beweglicher Kolben verwendet, der zwei<br />
unterschiedlich große Kolbenflächen aufweist. Bei einem Aufbau wie in<br />
Bild muss der Zwischenraum eine Entlüftungsöffnung haben, <strong>da</strong>mit kein<br />
Druckpolster entsteht.<br />
Damit sich am Kolben ein Kräftegleichgewicht ausbildet, muss an der<br />
kleineren Fläche ein entsprechend größerer Druck anliegen als an der<br />
größeren Kolbenfläche.<br />
Anderenfalls genügt an der größeren Fläche bereits ein kleiner Druck,<br />
um an der kleinen Fläche einen größeren Druck zu erzeugen.<br />
Die Druckübersetzung berechnet sich nach folgender Formel:<br />
F = p 1 · A 1 = p 2 · A 2<br />
Die Druckübersetzung kann eingesetzt werden, wenn die große Fläche<br />
beispielsweise mit Druckluft beaufschlagt wird und <strong>da</strong>durch an der kleinen<br />
Fläche eine Hydraulikflüssigkeit mit wesentlich höherem Druck zur<br />
Verfügung stehen soll.<br />
Bild 21: Druckübersetzung<br />
A1 p1 ><br />
<<br />
A2 p2 F F
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
2.6.3 Gasgesetz<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Der größere Kolben hat eine Fläche von 50 cm 2 und der kleinere von<br />
5cm 2 . Am größeren Kolben liegt ein Druck von 5 bar an. Wie groß ist der<br />
Druck am kleineren Kolben? Die Verluste sind zu vernachlässigen.<br />
p 1 · A 1 = p 2 · A 2<br />
5 bar · 50 cm 2 = p 2 · 5cm 2<br />
p 2 = 5 bar · 50 cm 2 / 5 cm 2<br />
p 2 = 50 bar<br />
Durch die zehnmal so große Fläche entsteht an der kleineren Fläche ein<br />
zehnmal so großer Druck von 50 bar.<br />
Lösen Sie die Aufgabe 34 im Übungsbuch!<br />
Flüssigkeiten haben ein bestimmtes Volumen. Gase <strong>da</strong>gegen nehmen<br />
immer den ihnen zur Verfügung stehenden Raum ein. Für ideale Gase<br />
wird der Zusammenhang von Druck, Temperatur und Volumen in einer<br />
Formel <strong>da</strong>rgestellt. Luft kann <strong>da</strong>bei näherungsweise als ideales Gas<br />
betrachtet werden.<br />
p V<br />
=<br />
T<br />
p V<br />
1⋅ 1 ⋅<br />
T<br />
1<br />
2 2<br />
Bei Berechnungen mit dieser Formel ist zu beachten, <strong>da</strong>ss die Drücke<br />
als Absolutdrücke einzusetzen sind. Das Gleiche gilt für die Temperaturen.<br />
Hier sind die Werte in Kelvin einzutragen und <strong>da</strong>mit gegebenenfalls<br />
vorher umzurechnen.<br />
Bleibt der Druck, die Temperatur oder <strong>da</strong>s Volumen während einer Änderung<br />
der Verhältnisse in einem Gas unverändert, so kann die Berechnung<br />
vereinfacht werden.<br />
Bleibt die Temperatur konstant, so lautet die Berechnungsformel:<br />
p 1 · V 1 = p 2 · V 2<br />
Bei einem konstanten Volumen sieht die Berechnungsformel wie folgt<br />
aus:<br />
p 1 / T 1 = p 2 / T 2<br />
Ist der Druck unverändert, so wird folgenden Formel verwendet:<br />
V 1 / T 1 = V 2 / T 2<br />
2<br />
59
60<br />
Minos<br />
Beispiel<br />
Grundlagen<br />
8m 3 Umgebungsluft werden auf ein Volumen von 1 m 3 verdichtet. Die<br />
angesaugte Luft hat <strong>da</strong>bei eine Temperatur von 20 °C. Durch die Verdichtung<br />
steigt die Temperatur auf 50 °C. Wie hoch ist der Druck der<br />
verdichteten Luft?<br />
p V<br />
=<br />
T<br />
p V<br />
1⋅ 1 ⋅<br />
T<br />
1<br />
2 2<br />
2<br />
1bar 8 m<br />
(273 + 20) K =<br />
3<br />
3<br />
⋅ p2⋅1m (273 + 50) K<br />
p =<br />
2<br />
p =<br />
2<br />
3<br />
1bar ⋅8m ⋅(273<br />
+ 50) K<br />
3<br />
(273 + 20) K ⋅1m<br />
8 m 323 K<br />
1m 293 K bar<br />
3<br />
⋅<br />
3<br />
⋅<br />
p = 8,82 bar<br />
2<br />
Der berechnete Druck ist ein Absolutdruck. Befindet sich die verdichtete<br />
Luft in einem Behälter, so beträgt der Überdruck nur rund 7,8 bar.<br />
Kühlt sich die verdichtete Luft nach dem Verdichten auf die Umgebungstemperatur<br />
von 20 °C ab, so wird der Druck wieder etwas sinken. Wie<br />
groß ist der Druck nach der Temperaturabsenkung? Das Volumen bleibt<br />
<strong>da</strong>bei unverändert.<br />
p 1 / T 1 = p 2 / T 2<br />
8,82 bar / 323 K = p 2 / 293 K<br />
p 2 = 8,82 bar · 293 K / 323 K<br />
p 2 = 8 bar<br />
Durch die Abkühlung der verdichteten Luft sinkt der Druck auf einen<br />
Absolutdruck von 8 bar ab. Das entspricht einem Überdruck von 7 bar.
2.6.4 Strömende Medien<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Beim Strömen einer Flüssigkeit oder eines Gases durch eine Rohrleitung<br />
hängt die Strömungsgeschwindigkeit eines bestimmten Volumenstromes<br />
vom Querschnitt der Rohrleitung ab. Je geringer der Querschnitt<br />
ist, desto schneller muss <strong>da</strong>s Medium strömen.<br />
Der Zusammenhang von Strömungsgeschwindigkeit und Querschnitt wird<br />
als Kontinuitätsgesetz bezeichnet und nach folgender Formel berechnet:<br />
v 1 · A 1 = v 2 · A 2<br />
Nachdem an der engen Stelle eine hohe Geschwindigkeit erreicht wurde,<br />
sinkt die Strömungsgeschwindigkeit <strong>da</strong>nach wieder ab.<br />
Wird dem strömenden Medium von außen keine Energie zugeführt oder<br />
Energie nach außen abgegeben, so bleibt die Energiemenge unverändert.<br />
Da sich durch die höhere Geschwindigkeit die Bewegungsenergie<br />
des Mediums zunimmt muss dementsprechend die Druckenergie abnehmen.<br />
Der Druck kann <strong>da</strong>bei soweit absinken, <strong>da</strong>ss durch eine Öffnung an der<br />
engen Stelle kein Medium austritt. Dieser Effekt wird beispielsweise in<br />
Ejektoren zur Erzeugung von Unterdrücken in Saugnäpfen genutzt.<br />
A1 v1 Bild 22: Kontinuitätsgesetz<br />
A2 v2 61
62<br />
Minos<br />
2.7 Spannung<br />
Grundlagen<br />
Der Begriff Spannung wird hier in Verbindung mit festen Körpern verwendet.<br />
Er ist nicht mit der elektrischen Spannung zu verwechseln.<br />
Bei der Betrachtung von Kräften oder Momenten auf Körper wurde bisher<br />
<strong>da</strong>von ausgegangen, <strong>da</strong>ss die Körper starr sind und sich durch die<br />
Belastungen nicht verformen. Dies ist aber nur der Fall, wenn sie eine<br />
ausreichende Festigkeit aufweisen.<br />
Die Auswirkungen durch die Belastungen, die von Kräften und Momenten<br />
auf Körper ausgeübt werden, werden mit dem Begriff Spannung bezeichnet.<br />
Die Belastung wird <strong>da</strong>bei auf eine Fläche bezogen. Die Kraft,<br />
durch die die Belastung auftritt, und die Spannung liegen in einer Richtung.<br />
Allgemein gilt:<br />
Spannung = Kraft / Fläche<br />
wobei sich durch diese Berechnung die Einheit N/mm 2 ergibt.<br />
Mechanische Spannungen werden in zwei grundlegende Arten unterschieden.<br />
Die Normalspannung σ wirkt senkrecht, also normal, auf die<br />
zu belastende Fläche. Diese Fläche hat <strong>da</strong>bei einen bestimmten Querschnitt<br />
S.<br />
Normalspannungen treten typischerweise bei Belastung durch Druck,<br />
Zug oder Biegung auf. Für sie gilt die Berechnung:<br />
σ = F / S<br />
Im Gegensatz <strong>da</strong>zu wirkt die Scherspannung τ in der gleichen Ebene<br />
wie der betrachtete Querschnitt. Die Scherspannungen treten bei<br />
Scherungen und bei Torsionen auf. Sie werden nach folgender Formel<br />
berechnet:<br />
τ = F / S<br />
Neben den Spannungen in festen Körpern können Spannungen aber<br />
auch in Flüssigkeiten oder Gasen auftreten.
Grundlagen<br />
Minos<br />
Beispiel Ein Gewicht von 600 kg soll an eine Schraube mit einem Haken gehängt<br />
werden. Für die Schraube mit einem Gewinde M8 wird aus der entsprechenden<br />
Tabelle für die Werkstoffeigenschaften eine zulässige Spannung<br />
von 400 N/mm 2 entnommen. Der dünnste Querschnitt beträgt<br />
30 mm 2 . Kann der Haken die Last tragen?<br />
σ = F / S<br />
F = σ · S<br />
F = 400 N/mm 2 · 30 mm 2<br />
F = 12000 N<br />
Die Schraube hält eine Belastung durch eine Kraft von 12000 N aus.<br />
Als nächstes muss die Gewichtskraft des Gewichtes berechnet werden.<br />
Die Schwerebeschleunigung wird <strong>da</strong>bei auf 10 m/s 2 gerundet. Die<br />
Gewichtskraft durch <strong>da</strong>s Gewicht beträgt somit:<br />
F = m · g<br />
F = 600 kg · 10 m/s 2<br />
F = 6000 N<br />
Durch <strong>da</strong>s Gewicht wird eine Kraft von 6000 N auf die Schraube ausgeübt.<br />
Diese Kraft ist halb so groß wie die maximal zulässige Kraft. Somit<br />
trägt die Schraube <strong>da</strong>s angehängte Gewicht. Maximal zulässig wäre die<br />
doppelte Masse. Der Sicherheitsfaktor hat in dem Fall der Masse von<br />
600 kg der Wert 2.<br />
63
64<br />
Minos<br />
2.8 Reibung<br />
Bild 23: Reibungskraft<br />
Grundlagen<br />
Sollen zwei Körper, die sich berühren, gegenein<strong>and</strong>er bewegt werden,<br />
so wirkt zwischen ihnen eine Reibungskraft. Diese Kraft wirkt der<br />
Bewegungsrichtung entgegen. Die Reibung ist also bestrebt die Bewegung<br />
zwischen den Körpern zu behindern.<br />
Die Reibungskraft wird mit F R bezeichnet. Ihre Größe hängt zum einen<br />
von der Kraft ab, mit der die Körper an den sich berührenden Flächen<br />
zusammengedrückt werden. Diese Kraft wirkt senkrecht zu den sich<br />
berührenden Flächen und ist somit eine Normalkraft F N . Die Reibkraft<br />
und die Normalkraft werden wie alle Kräfte in Newton angegeben.<br />
Zum Zweiten hängt die Reibungskraft von der Beschaffenheit der Oberflächen<br />
ab. Dieser Wert wird durch die Reibzahl µ bestimmt. Die Reibzahl<br />
ist ein Wert, der immer für zwei Flächen gilt. Für eine einzelne Fläche<br />
ist die Angabe einer Reibzahl nicht möglich.<br />
Die Reibzahl gibt somit an, wie gut oder wie schlecht zwei Flächen aufein<strong>and</strong>er<br />
gleiten. Eine größere Reibzahl bedeutet, <strong>da</strong>ss die Reibung größer<br />
ist und somit <strong>da</strong>s Aufein<strong>and</strong>ergleiten schwerer möglich ist. Die Reibzahl<br />
hat keine Einheit.<br />
Für <strong>da</strong>s Berechnen der Reibungskraft gilt die folgende Formel.<br />
F R = µ · F N<br />
Für die Größe der Reibung ist die Größe der anein<strong>and</strong>er reibenden Flächen<br />
ohne Bedeutung. Es ist jedoch möglich, <strong>da</strong>ss zusätzlich zur<br />
Reibungskraft noch <strong>and</strong>ere Kräfte wirken können. So können beispielsweise<br />
durch Adhäsionskräfte die verschiedenen Körper zusätzlich<br />
zusammenhaften.<br />
F N<br />
Bewegungsrichtung<br />
Reibfläche<br />
F R
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Eine besondere Form der Reibung ist die Haftreibung. Sie tritt zwischen<br />
zwei sich berührenden Körpern auf, die gegenein<strong>and</strong>er bewegt werden<br />
sollen. Die Haftreibung verhindert diese Bewegung der Körper. Die<br />
Reibungszahl der Haftreibung wird mit µ 0 bezeichnet.<br />
Der Begriff Haftreibung ist <strong>da</strong>bei etwas irreführend, <strong>da</strong> <strong>da</strong>bei noch keine<br />
Bewegung auftritt. Es wird auch keine Energie umgew<strong>and</strong>elt oder Wärme<br />
erzeugt. Deshalb wird für die Haftreibung auch der Begriff Haftung<br />
verwendet.<br />
Zu den <strong>and</strong>eren Reibungsformen gehört die Gleitreibung. Sie tritt auf,<br />
wenn die sich bewegenden Körper berühren und anein<strong>and</strong>er vorbei gleiten.<br />
Wie allgemein bei der Reibung wird die Reibungszahl mit µ bezeichnet.<br />
Die Gleitreibung ist immer kleiner als die Haftreibung. Ein auf einer schrägen<br />
Ebene rutschender Körper kann deshalb nicht anhalten, wenn er<br />
sich erst einmal in Bewegung gesetzt hat.<br />
Weitere Formen der Reibung sind beispielsweise die Rollreibung von<br />
Rädern oder die Bohrreibung. Diese tritt auf, wenn sich eine Kugel auf<br />
einer Oberfläche dreht.<br />
Reibung tritt auch in Flüssigkeiten oder Gasen auf. Diese Reibung ist im<br />
allgemeinen jedoch viel kleiner als die Reibung zwischen festen Körpern.<br />
In der Technik werden deshalb Schmierstoffe verwendet, <strong>da</strong>mit die<br />
Reibung zwischen festen Körpern vermieden wird.<br />
Beim Anhänger einer Straßenbahn blockieren die Bremsen, so <strong>da</strong>ss sich<br />
die Räder nicht mehr drehen. Der Wagen mit einer Gewichtskraft von 80<br />
kN soll auf den Schienen ein Stück gezogen werden. Aus Tabellenbüchern<br />
kann die Reibzahl von 0,15 für die Haftreibung und 0,1 für die Gleitreibung<br />
von Stahl auf Stahl entnommen werden. Wie groß muss die Kraft sein,<br />
um den Wagen in Bewegung zu setzten und ihn <strong>da</strong>nn weiter zu ziehen?<br />
F R = µ 0 · F N<br />
F R = µ · F N<br />
F R = 0,15 · 80 kN F R = 0,1 · 80 kN<br />
F R = 12 kN F R = 8 kN<br />
Am Wagen muss mit einer Kraft von 12 N gezogen werden um ihn in<br />
Bewegung zu setzten. Danach ist für <strong>da</strong>s Ziehen nur noch eine Kraft von<br />
8 kN erforderlich.<br />
Lösen Sie die Aufgabe 35 im Übungsbuch!<br />
65
66<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
2.9 Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung<br />
2.9.1 Gleichförmige Bewegung<br />
Bei einer Bewegung verändert ein Körper in einer bestimmten Zeit seinen<br />
Ort. Die Geschwindigkeit bestimmt <strong>da</strong>bei, wie schnell der Körper<br />
sich von einem Ort zu einen <strong>and</strong>eren Ort bewegt. Mit der Beschleunigung<br />
wir die Änderung der Geschwindigkeit bezeichnet.<br />
Die gleichförmige Bewegung wird auch als gleichförmige geradlinige<br />
Bewegung bezeichnet. Der Körper bewegt sich mit einer gleichbleibenden<br />
Geschwindigkeit. Somit legt der Körper in gleichen Zeitabschnitten<br />
immer die gleiche Strecke zurück.<br />
Nach dem Trägheitsprinzip bewegt sich ein Körper mit einer geradlinigen<br />
Bewegung, wenn die Summe aller auf ihn einwirkenden Kräfte gleich<br />
Null ist. Bei einer reinen gleichförmigen Bewegung findet keine Drehung<br />
des Körpers um eine eigene Achse statt.<br />
Die Berechnung der Geschwindigkeit erfolgt nach folgender Formel:<br />
Geschwindigkeit = Wegstrecke / Zeit<br />
v = s / t<br />
Im physikalischen Bereich wird die Zeit in Sekunden und eine Strecke in<br />
Metern angegeben. Demzufolge ergibt sich für die Geschwindigkeit die<br />
Einheit Meter/Sekunde oder m/s.<br />
Im Alltag wird häufig die Geschwindigkeit in km/h angegeben. Auch Angaben<br />
im m/Min sind möglich. Im physikalischen Bereich sollten diese<br />
Einheiten vermieden werden.<br />
Für die Umrechnung von Geschwindigkeiten, die in von m/s angegeben<br />
werden, nach Werten in km/h kann der Faktor 3,6 verwendet werden.<br />
1 m/s = 60 m/min = 3600 m/h = 3,6 km/h<br />
Für die Umrechnung von Werten in m/s nach Werten in km/h muss also<br />
der Wert mit 3,6 multipliziert werden. Umgekehrt müssen Angaben für<br />
Geschwindigkeiten in km/h durch den Faktor 3,6 geteilt werden, <strong>da</strong>mit<br />
Werte in m/s erhalten werden.
Grundlagen<br />
Minos<br />
Beispiel Ein Auto legt in vier Stunden eine Strecke von 360 km zurück. Mit welcher<br />
gleichförmigen Geschwindigkeit bewegt sich <strong>da</strong>s Auto? Das Ergebnis<br />
soll in km/h und m/s angegeben werden.<br />
Aufgabe<br />
v = s / t<br />
v = 360 km / 4 h<br />
v = 90 km/h<br />
2.9.2 Beschleunigte Bewegung<br />
v = 90 km/h / 3,6 = 25 m/s<br />
Das Auto bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 90 km/h. Das entspricht<br />
einer Geschwindigkeit von 25 m/s.<br />
Lösen Sie die Aufgabe 36 im Übungsbuch!<br />
Durch die Einwirkung einer Kraft auf einen Körper kann sich dessen<br />
Geschwindigkeit ändern. Diese Änderung der Geschwindigkeit wird als<br />
Beschleunigung bezeichnet. Die Änderung der Geschwindigkeit kann<br />
<strong>da</strong>bei zu höheren und niedrigeren Geschwindigkeiten führen. Negative<br />
Beschleunigungen werden deshalb auch als Verzögerung bezeichnet.<br />
Im einfachsten Fall ändert sich die Beschleunigung in einem bestimmten<br />
Zeitraum nicht. Es h<strong>and</strong>elt sich <strong>da</strong>bei um eine gleichmäßig beschleunigte<br />
Bewegung. Diese berechnet sich auf folgende Weise:<br />
Beschleunigung = Geschwindigkeitsänderung / Zeitabschnitt<br />
a = ∆v / ∆t<br />
Da die Geschwindigkeit durch eine Zeit dividiert wird, ergibt sich als Einheit<br />
für die Beschleunigung m/s 2 .<br />
Eine besondere Beschleunigung ist die Fallbeschleunigung. Sie ergibt<br />
sich aus der Schwerkraft, durch die sich Körper anziehen. Auf der Erdoberfläche<br />
wird allgemein mit einer Schwerebeschleunigung von<br />
9,81 m/s 2 gerechnet.<br />
Auch eine Kreisbewegung ist eine beschleunigte Bewegung. Hier ändert<br />
sich jedoch nicht der Betrag der Geschwindigkeit sondern die Richtung<br />
der Bewegung.<br />
67
68<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
Beispiel Ein Fallschirmspringer springt aus einem Flugzeug. Welche Geschwindigkeit<br />
würde er nach drei Sekunden erreicht haben, wenn der Luftwiderst<strong>and</strong><br />
nicht berücksichtigt wird? Für diese Berechnung ist der Wert<br />
der Schwerebeschleunigung auf 10 m/s 2 zu runden. Die Geschwindigkeit<br />
ist in m/s und km/h anzugeben.<br />
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
a = ∆v / ∆t<br />
∆v = a · ∆t<br />
∆v = 10 m/s 2 · 3s<br />
∆v = 30 m/s = 108 km/h<br />
Nach drei Sekunden hätte der Fallschirmspringer eine Geschwindigkeit<br />
von 30 m/s oder 108 km/h erreicht. Durch den Luftwiderst<strong>and</strong> wird dieser<br />
Wert aber nicht ganz erreicht.<br />
In dieser Aufgabe wird <strong>da</strong>von ausgegangen, <strong>da</strong>ss die Geschwindigkeit<br />
am Anfang der Beschleunigung gleich Null ist. Die Geschwindigkeitsänderung<br />
kann aber auch von bestimmten Geschwindigkeiten ausgehen.<br />
Dies ist bei allen Verzögerungen der Fall, es kann aber auch eine<br />
weitere Erhöhung der Geschwindigkeit geben.<br />
Ein ICE-Zug fährt mit einer Geschwindigkeit von 144 km/h oder 40 m/s.<br />
Für eine Zeit<strong>da</strong>uer von 20 Sekunden wird er mit einem Wert von 0,5 m/s 2<br />
beschleunigt. Wie hoch ist die Endgeschwindigkeit?<br />
∆v = a · ∆t<br />
∆v = 0,5 m/s 2 · 20 s<br />
∆v = 10 m/s = 36 km/h<br />
Die Geschwindigkeit der Zuges erhöht sich um 10 m/s oder 36 km/h auf<br />
insgesamt 50 m/s oder 180 km/h.<br />
Lösen Sie die Aufgabe 37 im Übungsbuch!
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Bei einer Anfangsgeschwindigkeit von Null und einer gleichmäßigen<br />
Beschleunigung kann anstelle der Geschwindigkeitsänderung und dem<br />
Zeitintervall auch die Endgeschwindigkeit und die Gesamtzeit für die<br />
Berechnung der Beschleunigung verwendet werden. Die Formel ändern<br />
sich <strong>da</strong>bei zu folgender Form:<br />
a = v / t<br />
oder<br />
v = a · t<br />
Für die gleichförmige Bewegung gilt die Berechnung:<br />
v = s / t<br />
Umgestellt nach dem Weg ergibt sich:<br />
s = v · t<br />
Da sich bei einer gleichförmigen Beschleunigung die Geschwindigkeit<br />
gleichmäßig vom Wert Null zum Endwert ändert, kann als mittlerer Wert<br />
für die Geschwindigkeit die halbe Endgeschwindigkeit verwendet werden.<br />
Die während der gleichmäßigen Beschleunigung zurückgelegte<br />
Strecke kann man deshalb wie folgt berechnen:<br />
s = 1/2 · v · t<br />
Ersetzt man die Geschwindigkeit durch die Multiplikation aus Beschleunigung<br />
und Zeit, so ergibt sich für die zurückgelegte Strecke:<br />
s = 1/2 · a · t 2<br />
Ein Auto beschleunigt in zehn Sekunden von 0 auf 100 km/h. Welchen<br />
Weg hat <strong>da</strong>s Auto in dieser Zeit zurückgelegt?<br />
s = 1/2 · v · t<br />
s = 1/2 · 100 km/h · 10 s<br />
s = 1/2 · 27,8 m/s · 10 s<br />
s = 139 m<br />
Während der Beschleunigung legt <strong>da</strong>s Auto eine Strecke von 139 m zurück.<br />
Lösen Sie die Aufgabe 38 im Übungsbuch!<br />
69
70<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
2.9.3 Kräfte an bewegten Körpern<br />
Die Grundgesetze für die Bewegung wurden erstmals von Isaac Newton<br />
beschrieben und sind deshalb auch als Newtonsche Gesetze bekannt.<br />
Das erste Newtonsche Gesetz wird auch als Gesetz vom Trägheitsprinzip<br />
bezeichnet. Es lautet:<br />
Ein Körper bleibt in seinem Zust<strong>and</strong> der Ruhe oder in gleichförmiger,<br />
geradliniger Bewegung, solange die Summe aller auf ihn einwirkenden<br />
Kräfte Null ist.<br />
Das bedeutet, <strong>da</strong>ss ein Körper sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit<br />
gleichförmig weiterbewegt, wenn keine Kräfte von außen auf den<br />
Körper einwirken. Der Betrag und die Richtung der Geschwindigkeit ändern<br />
sich also nicht. Umgekehrt bedeutet dieses Gesetz:<br />
Die Ursache jeder Änderung des Bewegungszust<strong>and</strong>es ist <strong>da</strong>s Wirken<br />
von Kräften.<br />
Einfach ausgedrückt bedeutet dies, <strong>da</strong>ss eine Kraft die Ursache für eine<br />
Beschleunigung ist. Kräfte, die auf den Körper einwirken, können <strong>da</strong>bei<br />
auch die Gravitationskraft oder die Reibungskraft sein.<br />
Der Zusammenhang zwischen der Änderung des Bewegungszust<strong>and</strong>es,<br />
also der Beschleunigung, und der Kraft wird durch <strong>da</strong>s zweite Newtonsche<br />
Gesetz beschrieben:<br />
Die Änderung der Bewegung eines Körpers ist der Einwirkung der bewegenden<br />
Kraft proportional. Die Beschleunigung geschieht <strong>da</strong>bei in die<br />
Richtung der geraden Linie, in die diese Kraft wirkt.<br />
Aus diesem Gesetz ergibt sich, <strong>da</strong>ss durch eine doppelt so große Kraft<br />
auch eine doppelt so große Beschleunigung eines Körpers erreicht wird.<br />
Der Proportionalitätsfaktor für <strong>da</strong>s Verhältnis von Kraft und Beschleunigung<br />
ist für jeden Körper eine konstante Größe. Diese Größe ist die<br />
Masse des Körpers. Somit ergibt sich die Formel:<br />
Masse = Kraft / Beschleunigung<br />
m = F / a<br />
oder<br />
F = m · a<br />
mit der Einheitengleichung:<br />
1 N = 1 kg · 1m/s 2
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Es wird also eine Kraft von einem Newton benötigt, um einen Körper mit<br />
der Masse von 1 kg mit 1 m/s 2 zu beschleunigen. Diesen Zusammenhang<br />
bezeichnet man auch als Kraftwirkungsgesetz.<br />
Durch die Schwerkraft der Erde werden alle Körper zum Mittelpunkt der<br />
Erde gezogen. Dabei h<strong>and</strong>elt es sich auch um eine Beschleunigung, die<br />
in diesem Fall Schwerebeschleunigung oder Erdbeschleunigung genannt<br />
wird.<br />
Die Erdbeschleunigung wird mit dem Buchstaben g anstelle des Buchstabens<br />
a der allgemeinen Beschleunigung bezeichnet und hat auf der<br />
Erdoberfläche einen Wert von 9,81 m/s 2 . Für vereinfachte Berechnungen<br />
kann der Wert auf 10 m/s 2 gerundet werden.<br />
Die Gewichtskraft, die mit dem Buchstaben G bezeichnet wird, ist somit<br />
die auf einen Körper wirkende Schwerkraft. Sie ist <strong>da</strong>s Produkt aus der<br />
Masse eines Körpers und der Schwerebeschleunigung.<br />
F G = m · g<br />
Im Alltag wird der Begriff Gewicht häufig so verwendet, <strong>da</strong>ss eigentlich<br />
eine Masse gemeint ist. So werden beispielsweise auch Gewichte von<br />
Körpern mit der Einheit der Masse kg bezeichnet. Im Bereich der Physik<br />
sollte <strong>da</strong>nn besser von Gewichtskraft gesprochen werden.<br />
Wegen der Schwerebeschleunigung hat eine Masse von einem Kilogramm<br />
auf der Erdoberfläche eine Gewichtskraft von 9,81 N.<br />
F G = m · g<br />
F G = 1 kg · 9,81 m/s 2<br />
F G = 9,81 N<br />
Vereinfacht kann festgestellt werden, <strong>da</strong>ss eine Masse von 1 kg eine<br />
Gewichtskraft von rund 10 N erzeugt.<br />
Wie groß ist die Gewichtskraft eines Körpers mit einer Masse von 100 kg<br />
auf der Mondoberfläche, wenn die Schwerebeschleunigung dort rund<br />
1,6 m/s 2 beträgt?<br />
F G = m · g<br />
F G = 100 kg · 1,6 m/s 2<br />
F G = 160 N<br />
Auf der Mondoberfläche hat der Körper nur eine Gewichtskraft von 160 N.<br />
Lösen Sie die Aufgabe 39 im Übungsbuch!<br />
71
72<br />
Minos<br />
2.10 Rotation<br />
Grundlagen<br />
Dreht sich ein fester Körper um einen Drehpunkt, so bewegen sich alle<br />
Punkte diesen Körpers auf Kreisbahnen um den Drehpunkt. Die Entfernung<br />
eines Punktes des Körpers vom Drehpunkt ist der Radius des Kreises.<br />
Während der Drehung des Punktes um den Mittelpunkt überstreicht<br />
eine Linie in einer bestimmten Zeiteinheit einen Winkel. Dieser wird in<br />
Bogenmaß gemessen.<br />
Der für die Beschreibung der Drehbewegung erforderliche Winkel ϕ wird<br />
berechnet aus dem Quotienten der Länge des Kreisbogenstückes s und<br />
dem Radius des Kreises r.<br />
ϕ = s / r<br />
Der Winkel ist eigentlich ohne Einheit, <strong>da</strong> bei der Division einer Länge<br />
durch eine <strong>and</strong>ere Länge die Einheiten sich wegkürzen. Trotzdem wird<br />
der Winkel mit Radiant rad bezeichnet. Ist die Länge des Kreisbogenstückes<br />
s genauso lang wie der Radius r, so hat der Winkel einen Wert<br />
von 1 rad. Entsprechend hat sich der Punkt P um 1 rad um den Drehmittelpunkt<br />
gedreht, wenn die Länge der Kreisbahn genau dem Radius<br />
entspricht.<br />
Drehachse<br />
ϕ<br />
Bild 24: Bogenmaß<br />
r<br />
Radius r<br />
Kreisbogenstück s<br />
Punkt P
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Für eine volle Umdrehung muss der Punkt eine Strecke zurücklegen,<br />
der dem Umfang des Kreises entspricht. Der Umfang hat in Bezug auf<br />
den Radius eine Länge von 2 · π · r. Deshalb beträgt der Wert einer<br />
Umdrehung 2 · π rad. Setzt man für π den Wert 3,14 an, so ist der Wert<br />
einer vollen Umdrehung 6,28 rad.<br />
Für eine volle Umdrehung gilt also:<br />
s = 2 · π · r<br />
Ein Reifen hat einen Durchmesser von 0,5 m. Welchen Weg auf der<br />
Oberfläche des Reifens legt der Punkt zurück, wenn sich der Reifen um<br />
drei Viertel einer Radumdrehung dreht?<br />
D = 0,5 m r = 0,25 m<br />
s = 0,75 · 2 · π · r<br />
s = 0,75 · 2 · π · 0,25 m<br />
s = 1,18 m<br />
Auf dem Reifen legt der Punkt eine Strecke von 1,18 m zurück.<br />
Eine <strong>and</strong>ere Möglichkeit für die Angabe von Werten für Winkel ist die<br />
Verwendung der Einheit Grad. Dabei wird ein Vollkreis in 360 einzelne<br />
Teilstücke unterteilt. Der Winkel in einem Viertel Kreis hat demzufolge<br />
einen Wert von 90°.<br />
Im Gegensatz zur Einheit Radiant entspricht die Einteilung von Winkeln<br />
in Grad nicht den SI-Einheiten. Die Verwendung von Grad ist trotzdem<br />
allgemein akzeptiert.<br />
Es gelten folgende Umrechnungen:<br />
1° = 2 · π / 360° ≈ 0,0175 rad<br />
1 rad = 360° / (2 · π) ≈ 57,3°<br />
Lösen Sie die Aufgabe 40 im Übungsbuch!<br />
73
74<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
2.10.1 Winkelgeschwindigkeit<br />
Beispiel<br />
Die Geschwindigkeit ist bei einer geradlinigen Bewegung die in einer<br />
bestimmten Zeiteinheit zurückgelegte Strecke. Dementsprechend wird<br />
bei der Rotation der Steckenabschnitt durch einen Winkelabschnitt ersetzt.<br />
Die Winkelgeschwindigkeit ω bei einem sich gleichförmig drehenden<br />
Körper ist somit der Quotient aus dem Drehwinkel ϕ und dem Zeitabschnitt<br />
t. Wie bei der Geschwindigkeit oder Beschleunigung wird für die<br />
Differenz der Strecke und der Zeit <strong>da</strong>s Symbol Delta ∆ verwendet.<br />
ω = ∆ϕ / ∆t<br />
Die Einheit für die Winkelgeschwindigkeit ist somit rad/s. Da der Winkel<br />
eigentlich dimensionslos ist, wird für die Winkelgeschwindigkeit häufig<br />
auch 1/s als Einheit angegeben.<br />
Ein Elektromotor hat eine Drehzahl von 750 Umdrehungen pro Minute.<br />
Wie groß ist die Winkelgeschwindigkeit?<br />
ω = ∆ϕ / ∆t<br />
ω = 750 · 360° / 60 s<br />
ω = 4500° 1/s<br />
ω = 2π · 12,5 1/s<br />
Der Motor hat eine Winkelgeschwindigkeit von 2π · 12,5 1/s.
Grundlagen<br />
2.10.2 Winkelbeschleunigung<br />
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
Minos<br />
Auch die Winkelgeschwindigkeit ist nicht immer gleichbleibend. Sie kann<br />
vergrößert oder verkleinert werden. Das Verändern der Winkelgeschwindigkeit<br />
wird mit dem Begriff Winkelbeschleunigung bezeichnet.<br />
Bei einer gleichmäßigen Beschleunigung der Winkelgeschwindigkeit kann<br />
die Beschleunigung als Änderung der Winkelgeschwindigkeit in einer<br />
bestimmten Zeiteinheit betrachtet werden.<br />
Die Berechnung der Winkelbeschleunigung erfolgt in diesem Fall nach<br />
der Formel:<br />
α = ∆ω / ∆t<br />
Die Einheit für die Winkelbeschleunigung ist dementsprechend entweder<br />
rad/s 2 oder 1/s 2 .<br />
Winkelbeschleunigungen erhalten ein positives Vorzeichen, wenn die<br />
Drehzahl sich erhöht. Im Gegensatz <strong>da</strong>zu wird die Winkelbeschleunigung<br />
mit einem negativen Vorzeichen versehen, wenn die Drehzahl abnimmt.<br />
Ein H<strong>and</strong>habungssystem mit einem Greifer soll aus dem Stillst<strong>and</strong> so<br />
gedreht werden, <strong>da</strong>ss nach einer Zeit von 0,3 Sekunden eine Winkelgeschwindigkeit<br />
von 3 rad/s erreicht wird. Wie groß muss <strong>da</strong>für die Winkelbeschleunigung<br />
sein?<br />
α = ∆ω / ∆t<br />
α = 3 rad/s / 0,3 s<br />
α = 10 rad/s 2<br />
Es ist eine Winkelbeschleunigung von 10 rad/s 2 erforderlich, um in dem<br />
gegebenen Zeitraum die gewünschte Winkelgeschwindigkeit zu erreichen.<br />
Lösen Sie die Aufgabe 41 im Übungsbuch!<br />
75
76<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
2.11 Arbeit, Energie und Leistung<br />
2.11.1 Arbeit<br />
Beispiel<br />
In der Physik werden die Begriffe Arbeit, Energie und Leistung teilweise<br />
<strong>and</strong>ers gebraucht als in der Umgangssprache. Deshalb ist es möglich,<br />
<strong>da</strong>ss bei der Verwendung dieser Begriffe Mißverständnisse auftreten können.<br />
Wird eine Kiste über den Boden geschoben, so wird im physikalischen<br />
Sinne Arbeit verrichtet. Die zu verrichtende Arbeit ist <strong>da</strong>bei um so größer,<br />
je länger der Weg und je größer die zum Schieben erforderliche<br />
Kraft ist.<br />
Die Arbeit berechnet sich demzufolge nach folgender Formel:<br />
Arbeit = Kraft · Weg<br />
W = F · s<br />
Als Einheit der Arbeit ergibt sich bei dieser Berechnung Newtonmeter<br />
Nm. Anstelle des Newtonmeters wird jedoch die Einheit Joule J verwendet.<br />
Eine Arbeit von einem Joule wird somit verrichtet, wenn ein Körper mit<br />
einer Kraft von einem Newton um einen Meter verschoben wird.<br />
Für den technischen Bereich ist eine Arbeit von einem Joule ein recht<br />
geringer Wert. Deshalb wird häufig auch die Einheit Kilowattstunde kWh<br />
verwendet. Dabei sind folgende Umrechnungen erforderlich:<br />
1 kWh = 3,6 · 10 6 J = 3 600 000 J<br />
1 J = 2,778 · 10 –7 kWh<br />
Eine Holzpalette mit Werkstücken wiegt 100 kg. Sie soll 20 m weit über<br />
den Boden gezogen werden. Der Reibwert zwischen Palette und Boden<br />
wird mit 0,5 angenommen. Wie groß ist die erforderliche Zugkraft? Welche<br />
Arbeit muss verrichtet werden?<br />
F = µ · F N = µ · m · g = 0,5 · 100 kg · 9,81 m/s 2<br />
F = 490,5 N<br />
Es wird eine Zugkraft von 490,5 N benötigt.<br />
W = F · s<br />
W = 490,5 N · 20 m<br />
W = 9810 J<br />
Es wird eine Arbeit von 9810 J oder 9,81 kJ verrichtet.
Beispiel<br />
Beispiel<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Wird ein Körper senkrecht nach oben verschoben, so wird eine Hubarbeit<br />
verrichtet. Hier kann die Kraft durch die Gewichtskraft ersetzt werden.<br />
Für die Berechnung der Gewichtskraft kann wiederum die Masse<br />
des Körpers und die Schwerebeschleunigung der Erde herangezogen<br />
werden. Der zurückgelegte Weg entspricht <strong>da</strong>bei der Höhe, um die der<br />
Körper angehoben wird.<br />
W = F G · h<br />
W = m · g · h<br />
Ein Lastenaufzug hat eine Gesamtmasse von 1000 kg. Er soll 25 m in<br />
die Höhe gehoben werden. Wie groß ist die zu verrichtende Hubarbeit?<br />
W = m · g · h<br />
W = 1000 kg · 9,81 m/s 2 · 25 m<br />
W = 245,25 kJ<br />
Beim Spannen einer Feder nimmt die Kraft zum Spannen mit der Spannweg<br />
zu. Bei einer idealen Feder steigt die Spannkraft <strong>da</strong>bei proportional<br />
zum Spannweg.<br />
Die zum Spannen der Feder erforderliche mittlere Kraft ist deshalb genau<br />
halb so groß wie die maximale Kraft am Ende des Spannweges.<br />
Dadurch ergibt sich folgende Berechnung:<br />
W = 1/2 · F max · s<br />
An einem Sportgerät kann trainiert werden, indem eine Feder gespannt<br />
wird. Der Spannweg beträgt 0,6 m. Die notwendige Kraft für diesen<br />
Spannweg beträgt 400 N. Die Übung soll 50 Mal wiederholt werden.<br />
Welche Arbeit muss <strong>da</strong>bei verrichtet werden?<br />
W = 1/2 · F max · s<br />
W = 1/2 · 400 N · 0,6 m<br />
W = 120 J<br />
Um die Feder einmal zu spannen wird eine Arbeit von 120 J verrichtet.<br />
Für <strong>da</strong>s 50 fache spannen wird demzufolge eine Arbeit von<br />
W = 50 · 120 J<br />
W = 6000 J = 6 kJ<br />
verrichtet.<br />
77
78<br />
Minos<br />
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
Zum Beschleunigen einer Masse ist bekanntermaßen eine Kraft erforderlich.<br />
Die Formel <strong>da</strong>für lautet:<br />
F = m · a<br />
Der Weg, der zurückgelegt werden muss, um bis zu einer bestimmten<br />
Geschwindigkeit zu beschleunigen, berechnet sich nach folgender Formel:<br />
s = 1/2 · v 2 / a<br />
Setzt man nun diese beiden Formeln in die Berechnung für die Arbeit<br />
ein, so erhält man für die Beschleunigungsarbeit:<br />
W = F · s<br />
W = 1/2 · m · v 2<br />
Die Arbeit, die zum Beschleunigen eines Körpers auf eine bestimmte<br />
Geschwindigkeit erforderlich ist, ist somit nur von der Masse und der zu<br />
erreichenden Geschwindigkeit abhängig.<br />
Die Beschleunigung selbst kommt in der Berechnung nicht vor. Das bedeutet,<br />
<strong>da</strong>ss es nicht <strong>da</strong>rauf ankommt, wie schnell der Körper auf die<br />
Endgeschwindigkeit gebracht wird. Eine lange <strong>da</strong>uernde, aber kleine<br />
Beschleunigung benötigt eine genauso große Arbeit wie eine kürzere,<br />
aber höhere Beschleunigung. Entscheidend ist nur die Endgeschwindigkeit.<br />
Weitere Einflüsse wie beispielsweise die Reibung sind allerdings <strong>da</strong>bei<br />
noch nicht berücksichtigt.<br />
Eine Lokomotive mit einer Masse von 100 t soll auf eine Geschwindigkeit<br />
von 90 km/h beschleunigt werden. Welche Arbeit muss <strong>da</strong>für verrichtet<br />
werden?<br />
W = 1/2 · m · v 2<br />
W = 1/2 · 100 t · (90 km/h) 2<br />
W = 1/2 · 100000 kg · (25 m/s) 2<br />
W = 1/2 · 100000 kg · 625 m 2 /s 2<br />
W = 31,25 MJ = 8,68 kWh<br />
Es wird für die Beschleunigung eine Arbeit von 31,25 MJ oder 8,69 kWh<br />
benötigt.<br />
Lösen Sie die Aufgabe 42 im Übungsbuch!
2.11.2 Energie<br />
Beispiel<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Damit eine Arbeit verrichtet werden kann, muss vorher Energie vorh<strong>and</strong>en<br />
gewesen sein. Beim Verrichten der Arbeit wird die Energie <strong>da</strong>nn in<br />
dem Körper gespeichert. Somit ist Energie die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten.<br />
Die Energie kann nicht direkt gemessen werden. Sie wird berechnet oder<br />
sie wird über die durch sie verrichtete Arbeit bestimmt.<br />
Die Energie wird in der gleichen Einheit angegeben wie die Arbeit. Die<br />
SI-Einheit ist somit <strong>da</strong>s Joule. Die Energie wird aber auch oftmals in<br />
kWh angegeben.<br />
Die Energie kann in verschiedenen Erscheinungsformen auftreten. In<br />
der klassischen Mechanik sind vorallem die potentielle und die kinetische<br />
Energie von Bedeutung.<br />
Damit ein Körper gegen die Schwerkraft der Erde angehoben werden<br />
kann, muss Arbeit verrichtet werden. Diese Arbeit ist <strong>da</strong>nach als potentielle<br />
Energie im Körper gespeichert. Dabei ist die potentielle Energie genauso<br />
groß wie die beim Heben verrichtete Arbeit.<br />
E pot = m · g · h<br />
Die in einem Körper nach dem Anheben gespeicherte Energie lässt sich<br />
anschließend auch wieder zum Verrichten von Arbeit verwenden. Da die<br />
Speicherung von Energie durch die erhöhte Position des Körpers erfolgt,<br />
wird die potentielle Energie auch als Lageenergie bezeichnet.<br />
In einem Pumpspeicherwerk wird Wasser aus dem unteren Becken in<br />
<strong>da</strong>s obere Becken gepumpt. Das obere Becken liegt 150 m über dem<br />
unteren Becken. Wieviel potentielle Energie wird in einem Kubikmeter<br />
Wasser gespeichert?<br />
Ein Kubikmeter Wasser hat eine Masse von 1000 kg.<br />
E pot = m · g · h<br />
E pot = 1000 kg · 9,81 m/s 2 · 150 m<br />
E pot = 1,47 MJ<br />
E pot = 0,409 kWh<br />
In jeden Kubikmeter Wasser sind 1,47 MJ oder 0,409 kWh potentielle<br />
Energie gespeichert.<br />
79
80<br />
Minos<br />
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
Arbeit muss auch verrichtet werden, wenn ein Körper beschleunigt werden<br />
soll. Nach der Beschleunigung ist diese Arbeit als kinetische Energie<br />
in dem Körper gespeichert. Der Betrag der kinetischen Energie ist<br />
<strong>da</strong>bei genauso groß wie die Arbeit, die zum Beschleunigen aufgewendet<br />
wurde.<br />
Die kinetische Energie wird auch als Bewegungsenergie bezeichnet. Sie<br />
berechnet sich wie folgt:<br />
E kin = 1/2 · m · v 2<br />
Wie bei der Beschleunigungsarbeit geht die Geschwindigkeit mit ihrem<br />
Quadrat in die Berechnung ein. Das bedeutet, <strong>da</strong>ss bei einer Verdopplung<br />
der Geschwindigkeit die vierfache Energiemenge gespeichert ist.<br />
Die Größe der Beschleunigung geht <strong>da</strong>bei nicht in die Berechnung mit<br />
ein.<br />
Ein Auto mit einer Masse von 1500 kg fährt mit einer Geschwindigkeit<br />
von 90 km/h. Wie groß ist die kinetische Energie des Autos? Wie hoch<br />
ist die kinetische Energie bei einer Geschwindigkeit von 180 km/h?<br />
E kin = 1/2 · m · v 2<br />
E kin = 1/2 · 1500 kg · 25 2 m 2 /s 2<br />
E kin = 468,75 kJ<br />
Und bei der zweiten Geschwindigkeit:<br />
E kin = 1/2 · 1500 kg · 50 2 m 2 /s 2<br />
E kin = 1875 kJ<br />
Bei einer Geschwindigkeit von 90 km/h beträgt die kinetische Energie<br />
468,75 kJ, bei 180 km/h bereits 1875 kJ.<br />
Kinetische Energie tritt außer bei geradlinigen Bewegungen auch bei<br />
Drehbewegungen auf.<br />
Neben der in der Mechanik wichtigen potentiellen und kinetischen Energie<br />
gibt es eine Reihe weiterer Energieformen. Thermische Energie ist<br />
die ungeordnete Bewegung der einzelnen Atome oder Moleküle eines<br />
Stoffes. Chemische Energie ist in den Bindungen von Atomen und Molekülen<br />
enthalten.<br />
Elektrische und magnetische Energie ist in den entsprechenden Feldern<br />
enthalten. Diese Energieformen sollen hier jedoch nicht weiter betrachtet<br />
werden.<br />
Lösen Sie die Aufgabe 43 im Übungsbuch!
Grundlagen<br />
2.11.3 Energieerhaltungsgesetz<br />
Beispiel<br />
Minos<br />
In den vorangegangenen Aufgaben wurden Berechnungen zur potentiellen<br />
und zur kinetischen Energie durchgeführt. Es ist <strong>da</strong>bei möglich, die<br />
eine Energieform in die <strong>and</strong>ere umzuw<strong>and</strong>eln. Die Gesamtenergie nimmt<br />
<strong>da</strong>bei weder zu noch ab.<br />
Der Energieerhaltungssatz der klassischen Mechanik besagt somit, <strong>da</strong>ss<br />
die Summe aus der potentiellen und der kinetischen Energie konstant<br />
ist.<br />
E = E pot + E kin = konstant<br />
Bei dieser Aussage wird zunächst die Reibung vernachlässigt. Bezieht<br />
man die Reibung mit ein, so wird ein Teil der Energie durch die Reibung<br />
in Wärme umgew<strong>and</strong>elt.<br />
Allgemein lässt sich <strong>da</strong>s Energieerhaltungsgesetz so formulieren, <strong>da</strong>ss<br />
in einem abgeschlossenen System die Gesamtsumme der Energie konstant<br />
bleibt.<br />
Das bedeutet, <strong>da</strong>ss in einem abgeschlossenen System keine Energie<br />
erzeugt oder vernichtet werden kann. Sie kann nur von einer Form in<br />
eine <strong>and</strong>ere Form umgew<strong>and</strong>elt werden. Das abgeschlossene System<br />
ist <strong>da</strong>bei so definiert, <strong>da</strong>ss kein Austausch von Energie, Stoffen oder<br />
Informationen mit der Umwelt stattfindet, also keine Wechselwirkungen<br />
mit der Umgebung auftreten.<br />
Ein Auto fährt auf einer geraden Strecke mit einer Geschwindigkeit von<br />
90 km/h. Wie weit kann es mit abgeschalteten Motor auf einen Berg hinaufrollen,<br />
wenn die gesamte Bewegungsenergie in potentielle Energie<br />
umgew<strong>and</strong>elt wird?<br />
E pot = E kin<br />
m · g · h = 1/2 · m · v 2<br />
g · h = 1/2 · v 2<br />
h = 1/2 · v 2 / g<br />
h = 1/2 · 25 2 m 2 /s 2 / 9,81 m/s 2<br />
h = 31,8 m<br />
Das Auto würde eine Höhe von 31,8 m erreichen. Die Masse des Autos<br />
spielt <strong>da</strong>bei keine Rolle.<br />
81
82<br />
Minos<br />
2.11.4 Leistung<br />
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
Beim Begriff der Arbeit wurde nicht berücksichtigt, mit welcher Geschwindigkeit<br />
sie verrichtet wird. Durch <strong>da</strong>s Einbeziehen der Zeit, in der die<br />
Arbeit verrichtet wird, gelangt man zur Leistung.<br />
Die Leistung ist definiert als die verrichtete Arbeit und der <strong>da</strong>für benötigten<br />
Zeit.<br />
Leistung = Arbeit / Zeitabschnitt<br />
P = W / ∆t<br />
Als Einheit für die Leistung ergibt sich zunächst Joule pro Sekunde. Anstelle<br />
dessen wird die Einheit Watt W verwendet. Es wird eine Leistung<br />
von einem Watt benötigt, um in einer Sekunde die Arbeit von einem Joule<br />
zu leisten.<br />
Im technischen Bereich sind eher Leistungen gebräuchlich, die im Bereich<br />
von Kilowatt liegen. Kleine Antriebe können aber auch Leistungen<br />
haben, die nur im Bereich von Milliwatt liegen.<br />
Nicht den SI-Einheiten entspricht die Einheit PS. Sie wird trotzdem im<br />
täglichen Leben noch verwendet. Die Umrechnung <strong>da</strong>für ist:<br />
1 PS = 0,735 kW<br />
1 kW = 1,36 PS<br />
Ersetzt man in der Berechnung der Leistung die Arbeit durch ihre Berechnung<br />
aus Kraft und Weg, so erhält man für die Leistung auch folgende<br />
Berechnung:<br />
P = F · v<br />
Somit berechnet sich die Leistung auch aus Kraft multipliziert mit der<br />
Geschwindigkeit.<br />
Um einen Anhänger mit einer Geschwindigkeit von 90 km/h zu ziehen,<br />
wird eine Kraft von 500 N benötigt. Wie groß ist <strong>da</strong>für die erforderliche<br />
Leistung?<br />
P = F · v<br />
P = 500 N · 25 m/s<br />
P = 12,5 kW<br />
Es wird eine Leistung von 12,5 kW benötigt.<br />
Lösen Sie die Aufgabe 44 im Übungsbuch!
2.11.5 Wirkungsgrad<br />
Beispiel<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Unter dem Wirkungsgrad versteht man <strong>da</strong>s Verhältnis von der abgegebenen<br />
Leistung zu der aufgenommenen Leistung. Der Wirkungsgrad wird<br />
<strong>da</strong>bei mit dem griechischen Buchstaben Eta bezeichnet.<br />
η = P ab / P auf<br />
Der Wirkungsgrad ist eine dimensionslose Größe. Um ihn in Prozent<br />
angeben zu können, wird der Wert mit 100 multipliziert.<br />
Der Wirkungsgrad kann nicht kleiner als 0 und nicht größer als 1 oder<br />
100 % sein. Der fehlende Teil gilt zwar als verloren, er ist jedoch in Wirklichkeit<br />
nur in eine <strong>and</strong>ere Energieform umgew<strong>and</strong>elt worden. Oftmals<br />
erfolgt eine Umw<strong>and</strong>lung in Wärme.<br />
Betrachtet man mehrere Maschinen, die hinterein<strong>and</strong>er arbeiten, so<br />
werden die einzelnen Wirkungsgrade mitein<strong>and</strong>er multipliziert. Der<br />
Gesamtwirkungsgrad ist <strong>da</strong>bei immer kleiner als der kleinste der einzelnen<br />
Wirkungsgrade.<br />
Bei thermischen Anlagen wie Heizkraftwerken kann ein Teil der eigentlich<br />
verlorenen Wärme für <strong>and</strong>ere Aufgaben wie beispielsweise zur Erzeugung<br />
von Fernwärme genutzt werden. Damit erhöht sich wiederum<br />
der Wirkungsgrad, wobei dieser in diesem Fall als Anlagenwirkungsgrad<br />
bezeichnet wird.<br />
Ein elektrischer Bohrhammer hat laut Typenschild eine Leistungsaufnahme<br />
von 900 W. Die Leistungsabgabe beträgt 540 W. Wie groß ist<br />
der Wirkungsgrad der Maschine?<br />
η = P ab / P auf<br />
η = 540 W / 900 W<br />
η = 0,6<br />
Der Wirkungsgrad hat einen Wert von 0,6 oder 60 %.<br />
83
84<br />
Minos<br />
2.12 Wärmelehre<br />
2.12.1 Temperatur<br />
Grundlagen<br />
Die Temperatur eines Körpers, einer Flüssigkeit oder eines Gases ist die<br />
mittlere Bewegungsenergie der einzelnen Atome oder Moleküle. Im täglichen<br />
Leben wird die Temperatur in Grad Celsius °C angegeben.<br />
Die Temperatur ist <strong>da</strong>durch definiert, <strong>da</strong>ss 0 °C dem Schmelzpunkt und<br />
100 °C dem Siedepunkt von Wasser entsprechen. Diese Übergänge vom<br />
festen zum flüssigen sowie vom flüssigen zum gasförmigen Zust<strong>and</strong><br />
werden <strong>da</strong>bei bei einem Druck von 1013,25 mbar ermittelt. Dieser Druck<br />
wird auch als Normaldruck bezeichnet.<br />
Der Bereich vom Schmelzpunkt zum Siedepunkt wird in einhundert gleich<br />
große Abschnitte unterteilt. Wird die Temperatur in °C angegeben, so<br />
wird <strong>da</strong>für <strong>da</strong>s Formelzeichen t verwendet.<br />
Auf der Grundlage der SI-Einheiten wird <strong>da</strong>gegen <strong>da</strong>s Formelzeichen T<br />
verwendet. Die Einheit der Temperatur ist <strong>da</strong>s Kelvin K. Eine Temperatur<br />
von 0 K ist die niedrigste Temperatur, die überhaupt möglich ist. Die Bewegung<br />
der einzelnen Atome und Moleküle ist in diesem Fall gleich Null.<br />
Eine Temperatur von 0 K entspricht einer Temperatur von –273,15 °C.<br />
Dementsprechend sind auch tiefere Temperaturen auf der Celsius-Skala<br />
nicht möglich.<br />
Die Differenzen von Temperaturen stimmen bei beiden Einheiten überein.<br />
Zwischen dem Schmelzpunkt und dem Siedepunkt von Wasser besteht<br />
also ebenfalls eine Temperaturdifferenz von 100 K. Daraus ergibt<br />
sich für den Schmelzpunkt von Wasser eine Temperatur von 273,15 K<br />
und für den Siedepunkt eine Temperatur von 373,15 K. Die Umrechnung<br />
erfolgt allgemein nach folgender Formel:<br />
T = t + 273,15<br />
wobei T in K eingesetzt wird und t in °C. Wird nur eine geringere Genauigkeit<br />
benötigt, so kann die Umrechnung auch mit dem Wert 273 erfolgen.<br />
Temperaturdifferenzen werden in der Physik in K angegeben, umgangssprachlich<br />
wird <strong>da</strong>gegen der Begriff Grad verwendet.<br />
Die Verwendung von Temperaturen mit der Einheit Kelvin ist vorallem in<br />
Berechnungen notwendig. Prinzipbedingt gibt es bei der Einheit Kelvin<br />
nur positive Werte. Das Einsetzen von Werten in °C würden bei vielen<br />
Berechnungen falsche Ergebnisse liefern.
Beispiel<br />
Grundlagen<br />
2.12.2 Ausdehnung fester Körper<br />
Beispiel<br />
Minos<br />
Stickstoff hat einen Siedepunkt von –195,8 °C. Wie hoch ist die Temperatur<br />
in Kelvin?<br />
T = –195,8 °C + 273,15<br />
T = 77,35 K<br />
Stickstoff wird bei einer Temperatur von 77,35 K vom flüssigen in den<br />
gasförmigen Zust<strong>and</strong> übergehen.<br />
Feste Körper dehnen sich bei Erwärmung in alle Richtungen gleichmäßig<br />
aus. Oftmals ist es vorallem wichtig, wie sich die Länge eines Körpers<br />
bei einer Temperaturänderung verhält.<br />
Die Berechnung der Längenänderung erfolgt nach folgender Formel:<br />
∆l = α · l 0 · ∆T<br />
Dabei ist α der materialabhängige Längenausdehnungskoeffizient, l 0 ist<br />
die ursprüngliche Länge und ∆T die Temperaturdifferenz.<br />
Der Längenausdehnungskoeffizient kann aus Tabellen entnommen werden.<br />
Er wird in 1/K angegeben.<br />
Die Schiene eines Bahngleises ist 20 m lang. Ihre Temperatur ist durch<br />
die Erwärmung in der Sonne um 30 K gestiegen. Wie groß ist die Längenänderung,<br />
wenn der Längenausdehnungskoeffizient für Eisen einen Wert<br />
von 0,0000123 hat?<br />
∆l = α · l 0 · ∆T<br />
∆l = 0,0000123 1/K · 20 m · 30 K<br />
∆l = 0,0074 m = 7,4 mm<br />
Durch die Erwärmung dehnt sich die Schiene insgesamt um 7,4 mm aus.<br />
85
86<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
2.12.3 Ausdehnung von Gasen<br />
Beispiel<br />
Gase dehnen sich beim Erwärmen ebenfalls aus, wenn es möglich ist,<br />
<strong>da</strong>ss sich ihr Volumen vergrößert. Bleibt <strong>da</strong>s Volumen gleich groß, so<br />
steigt <strong>da</strong>gegen der Druck des Gases an.<br />
Die Volumenänderung bei konstantem Druck kann ähnlich wie die<br />
Längenänderung bei festen Stoffen berechnet werden. Dabei gilt folgende<br />
Formel:<br />
∆V = γ · V 0 · ∆T<br />
Die Volumenänderung berechnet sich somit aus dem Volumenänderungskoeffizienten,<br />
dem ursprünglichen Volumen und der Temperaturdifferenz.<br />
Im Gegensatz zu den festen Stoffen dehnen sich alle Gase fast gleich<br />
aus. Für die Praxis kann deshalb für den Volumenänderungskoeffizienten<br />
folgender Wert verwendet werden:<br />
γ = 1/273,15 1/K = 0,003661 1/K<br />
Diese Formel würde jedoch bedeuten, <strong>da</strong>ss <strong>da</strong>s Volumen eines Gases<br />
bei einer Temperatur von 0 K auch gleich Null würde. Der Wert für γ gilt<br />
deshalb genau genommen nur für ideale Gase, die sich bei tiefen Temperaturen<br />
auch nicht verflüssigen.<br />
Für die in der Praxis weitgehend üblichen Temperaturbereiche können<br />
Gase aber fast immer als ideale Gase betrachtet werden. Das gilt im<br />
besonderen auch für Luft.<br />
In einem Raum befinden sich 50 m 3 Luft. Die Temperatur der Luft erwärmt<br />
sich um 20 K. Wieviel Luft muss durch Undichtigkeiten aus dem<br />
Raum entweichen, <strong>da</strong>mit der Druck nicht ansteigt?<br />
∆V = γ · V 0 · ∆T<br />
∆V = 0,003661 1/K · 50 m 3 · 20 K<br />
∆V = 3,661 m 3<br />
Beim Erwärmen der Luft um 20 K nimmt <strong>da</strong>s Volumen um 3,661 m 3 zu.<br />
Wie bereits erwähnt, steigt bei der Erwärmung von Gasen der Druck an,<br />
wenn sich <strong>da</strong>s Volumen nicht vergrößern kann. Dabei gilt folgende Formel:<br />
∆p = γ · p 0 · ∆T<br />
Auch diese Berechnung gilt vorallem für ideale Gase.
Grundlagen<br />
2.12.4 Wärmeenergie und Wärmekapazität<br />
Beispiel<br />
Aufgabe<br />
Minos<br />
Beim Erwärmen eines Körpers wird ihm Energie zugeführt. Diese Energie<br />
ist in dem Körper gespeichert, solange die Temperatur gleich bleibt.<br />
Umgekehrt kann ein Körper Energie abgeben, wenn er sich abkühlt.<br />
Die in einem Körper enthaltene Wärmeenergie wird mit Q bezeichnet<br />
und wie <strong>and</strong>ere Energiearten in Joule oder kWh angegeben.<br />
Die Menge der Energie, die zum Erwärmen eines Körpers benötigt wird,<br />
hängt <strong>da</strong>bei von dem Material des Körpers, von seiner Masse und von<br />
Höhe der Temperaturänderung ab. Die Berechnung erfolgt nach folgender<br />
Formel:<br />
Q = c · m · ∆T<br />
Die spezifische Wärmekapazität c ist <strong>da</strong>bei vom Material des Körpers<br />
abhängig. Sie wird in J/(kg·K) angegeben.<br />
Die Wärmekapazität C beschreibt die Energiemenge, die für die Erhöhung<br />
der Temperatur eines Körpers benötigt wird. Sie wird in J/K angegeben.<br />
Es gilt die Formel:<br />
C = Q / ∆T = c · m<br />
Wieviel Energie wird benötigt, um ein Kilogramm Wasser von 20°C auf<br />
70°C zu erwärmen? Die spezifische Wärmekapazität von Wasser bei<br />
20°C beträgt 4180 J/kgK.<br />
Q = c · m · ∆T<br />
Q = 4,18 kJ/kgK · 1 kg · 50 K<br />
Q = 209 kJ<br />
Für die Erwärmung werden 209 kJ benötigt.<br />
Lösen Sie die Aufgabe 45 im Übungsbuch!<br />
87
88<br />
Minos<br />
Grundlagen
Grundlagen<br />
3 Technisches Zeichnen<br />
3.1 Grundlagen des technischen Zeichnens<br />
3.1.1 Die technische Zeichnung als Kommunikationsmittel der Technik<br />
Minos<br />
In der heutigen Zeit werden Produkte nicht mehr nur von einer Person<br />
hergestellt, sondern es findet eine weitgehende Arbeitsteilung statt. Schon<br />
während der Entwicklung werden Produkte in mehreren Abteilungen<br />
entworfen und in verschiedenen Werkstätten gebaut.<br />
Die Produktion kann in verschiedenen Werken sogar weltweit erfolgen.<br />
Viele Best<strong>and</strong>teile sind Normteile oder werden von Zulieferbetrieben<br />
zugekauft.<br />
Damit keine Missverständnisse auftreten, ist eine eindeutige und zuverlässige<br />
Verständigung zwischen den verschiedensten Personen und<br />
Abteilungen erforderlich. Trotz Einsatz moderner Computertechnik spielt<br />
die technische Zeichnung eine wesentliche Rolle bei der Verständigung<br />
sowie zum Übertragen von Informationen.<br />
In der technischen Zeichnung werden die dreidimensional vorh<strong>and</strong>enen<br />
Werkstücke maßgetreu und in nur noch zwei Dimensionen abgebildet.<br />
Alle zur Fertigung erforderlichen Informationen können in der technischen<br />
Zeichnung enthalten sein. Dazu gehören beispielsweise:<br />
– die Maße und Toleranzen,<br />
– die Oberflächenangaben,<br />
– der verwendete Werkstoff,<br />
– die Wärmebeh<strong>and</strong>lung,<br />
– der Korrosionsschutz,<br />
– Montageanweisungen.<br />
Damit diese Vielzahl der Informationen von jedem Techniker oder H<strong>and</strong>werker<br />
verst<strong>and</strong>en werden kann, müssen technische Zeichnungen nach<br />
bestimmten Regeln erstellt werden. Diese Regeln werden als Zeichnungsnormen<br />
bezeichnet.<br />
Durch die Normung wird die Durchführung von wiederkehrenden Aufgaben<br />
vereinheitlicht. Zu diesen Aufgaben gehören:<br />
– <strong>da</strong>s Erstellen von technischen Zeichnungen,<br />
– <strong>da</strong>s Festlegen von Form, Ausführung und Größe von Normteilen,<br />
– <strong>da</strong>s Festlegen von Anschlussmaßen,<br />
– <strong>da</strong>s Festlegen von Prüfverfahren,<br />
– <strong>da</strong>s Festlegen von Bezeichnungen.<br />
89
90<br />
Minos<br />
3.1.2 Zeichnungsarten<br />
Grundlagen<br />
Die Normen stellen Regeln im Bereich der Technik <strong>da</strong>r. Durch ihre Beachtung<br />
wird <strong>da</strong>s Austauschen und Kombinieren von Informationen und<br />
Produkten möglich. Es werden verschiedene Normen mit unterschiedlichen<br />
Geltungsbereichen unterschieden.<br />
DIN-Normen<br />
Das Deutsche Institut für Normung e.V. gibt die DIN-Normen heraus.<br />
Dabei werden die Inhalte von einzelnen Fachnormausschüssen erarbeitet,<br />
zu denen Vertreter aus der Industrie, der Forschung, aus Interessenvertretungen<br />
und Behörden gehören. Die DIN-Normen können kostenpflichtig<br />
vom Beuth-Verlag bezogen werden.<br />
ISO-Normen<br />
Die ISO-Normen sind international gültig. Sie werden in einer Internationalen<br />
Organisation für Normung, der International Organization for<br />
Stan<strong>da</strong>rdization, erarbeitet. Für die Bundesrepublik Deutschl<strong>and</strong> ist <strong>da</strong>s<br />
Deutsche Institut für Normung e.V. Mitglied der ISO.<br />
Durch die ISO-Normen soll die weltweite Zusammenarbeit auf dem Gebiet<br />
der Technik gefördert werden. Neben technischen Normen gibt es<br />
beispielsweise auch Normen für <strong>da</strong>s Qualitätsmanagment, wie die ISO<br />
9000.<br />
EN-Normen<br />
Für die europäischen Normen ist <strong>da</strong>s Europäische Komitee für Normung<br />
zuständig. Die DIN EN-Normen gelten vorallem in Westeuropa. Sie werden<br />
unter Berücksichtigung der ISO-Normen erstellt und gelten in allen<br />
technischen Bereichen außer der Elektrotechnik und der Telekommunikation.<br />
Für diese Bereiche ist <strong>da</strong>s Europäisches Komitee für elektrotechnische<br />
Normung und <strong>da</strong>s Europäische Institut für Telekommunikationsnormen<br />
zuständig.<br />
Die Anforderungen an eine Zeichnung können sehr unterschiedlich sein.<br />
Aus diesem Grund werden verschiedene Zeichnungsformen unterschieden.<br />
Diese Zeichnungsformen sind in der DIN 199 Teil 1 zu finden.<br />
Die Unterscheidung der Zeichnungsformen kann nach verschiedenen<br />
Gesichtspunkten erfolgen. Die gebräuchlichsten werden im Folgenden<br />
beschrieben. Die Begriffe sind <strong>da</strong>bei nicht vollständig aufgeführt.
Grundlagen<br />
Art der Darstellung<br />
Minos<br />
Nach der Art der Darstellung unterscheidet man Skizzen und Zeichnungen.<br />
Dabei sind Skizzen nicht maßstäblich. Sie werden häufig freihändig<br />
erstellt. Das Zeichnen einer Skizze erfolgt meistens mit einem Bleistift.<br />
Als Zeichnung wird <strong>da</strong>gegen eine aus Linien bestehende bildliche Darstellung<br />
bezeichnet. Alle Zeichnungen, die zur Darstellung oder Herstellung<br />
eines Gegenst<strong>and</strong>es erforderlich sind, werden in einem Zeichnungssatz<br />
zusammengefasst.<br />
Art der Anfertigung<br />
Zunächst wird zwischen der Original-Zeichnung und der Vervielfältigung<br />
unterschieden. Dabei ist <strong>da</strong>s Original <strong>da</strong>s Muster für die Kopien und somit<br />
die verbindliche Zeichnungsversion.<br />
Das Erstellen des Originals kann auf die klassische Weise mit Bleistift<br />
oder Tusche erfolgen. In heutiger Zeit werden jedoch die Zeichnungen<br />
vor allem mittels Computerprogrammen erzeugt. Auch hier ist jedoch<br />
<strong>da</strong>rauf zu achten, <strong>da</strong>ss konstruktive Änderungen nur am Original durchgeführt<br />
werden dürfen.<br />
Inhalt der Zeichnung<br />
Die Gesamtzeichnung enthält eine Maschine, eine Anlage oder ein Gerät<br />
im zusammengebauten Zust<strong>and</strong>. Die Gruppenzeichnung <strong>da</strong>gegen<br />
zeigt maßstabsgetreu die räumliche Lage und die Form der zu einer<br />
Gruppe zusammengehörigen Teile.<br />
Ein einzelnes Teil ohne seine räumliche Zuordnung zu <strong>and</strong>eren Teilen<br />
wird in einer Einzelteilzeichnung oder auch Teilzeichnung abgebildet.<br />
Zweck der Zeichnung<br />
In der Entwurfszeichnung werden Teile <strong>da</strong>rgestellt, über deren genaue<br />
Ausführung noch nicht endgültig entschieden wurde. Die Angaben zur<br />
Herstellung eines Teils oder zu dessen Montage enthält die Fertigungszeichnung.<br />
Die Fertigungszeichnungen werden weiterhin unterteilt in Zeichnungen<br />
für die Bearbeitung sowie Zusammenbauzeichnungen, die der Erläuterung<br />
der Zusammenbauvorgänge dienen.<br />
Die Konstruktionszeichnung <strong>da</strong>gegen zeigt zwar <strong>da</strong>s Teil in seinem Endzust<strong>and</strong>,<br />
sie enthält aber nicht alle Fertigungsangaben. Weiterhin werden<br />
noch Zeichnungen für <strong>da</strong>s Erstellen von Angeboten und Zeichnungen<br />
für <strong>da</strong>s Einreichen von Patenten unterschieden.<br />
91
92<br />
Minos<br />
3.1.3 Papierformate<br />
A6<br />
A7<br />
A4<br />
A5<br />
Bild 25: Papierformate<br />
Grundlagen<br />
Die DIN 476 legt den Aufbau der Papierformate fest. Das Ausgangsformat<br />
A0 ist ein Rechteck mit einer Fläche von 1 m 2 . Das Verhältnis der<br />
beiden Seiten beträgt <strong>da</strong>bei 1 : √2, die lange Seite ist also 1,4142 mal so<br />
lang wie die kurze Seite. Die Papierformate sind in der DIN 67771 T6<br />
festgelegt.<br />
Halbiert man dieses Format A0, so erhält man zwei gleich große Teile,<br />
die <strong>da</strong>s nächst kleinere Format A1 aufweisen. Durch weiteres Teilen entstehen<br />
die <strong>and</strong>eren Formate A2, A3, A4, A5, A6 und kleinere. Eine normale<br />
Seite zum Schreiben oder Drucken hat <strong>da</strong>s Format A4.<br />
Die Formate der einzelnen Seiten werden auf ganze Millimeter gerundet.<br />
Die einzelnen Größen sind:<br />
A0 841 x 1189 mm<br />
A1 594 x 841 mm<br />
A2 420 x 594 mm<br />
A3 297 x 420 mm<br />
A4 210 x 297 mm<br />
A5 148 x 210 mm<br />
A6 105 x 148 mm<br />
A7 74 x 105 mm.<br />
A2<br />
A3<br />
A0 841x1189 mm<br />
A1
Beispiel<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Die Papierformate können alle in Hoch- oder Querformat verwendet<br />
werden. Bei der Größe A4 wird jedoch <strong>da</strong>s Hochformat bevorzugt verwendet.<br />
Zusätzlich zu den Papierformaten der A-Reihe gibt es noch die B-Reihe,<br />
die C-Reihe und die D-Reihe.<br />
Die Formate der B-Reihe errechnen sich aus dem geometrischen Mittel<br />
der A-Reihe. Das Format B0 berechnet sich somit aus dem Format A0<br />
und dem doppelt so großem Format 2A0. Somit ergibt sich für B0<br />
B0 = √A0 x √2A0<br />
B0 = √(841 mm x 1189 mm) x √(1189 mm x 1682 mm)<br />
B0 = 1000 mm x 1414 mm.<br />
Die C-Reihe wird wiederum aus dem geometrischen Mittel gleicher Seiten<br />
bei gleichen Formaten der A-Reihe und der B-Reihe gebildet.<br />
C0 = √(kleine Seiten) A0 x B0) x √(große Seiten) A0 x B0)<br />
C0 = √(841 mm x 1000 mm) x √(1189 mm x 1414 mm)<br />
C0 = 917 mm x 1297 mm.<br />
Die D-Reihe schließlich wird aus dem geometrischen Mittel der Werte<br />
des A-Formates mit dem nächst kleineren Werten des B-Formates ermittelt<br />
D0 = √A0 x √B1<br />
D0 = √(841 mm x 1189 mm) x √(707 mm x 1000 mm)<br />
D0 = 771 mm x 1091 mm<br />
Insgesamt sind bei gleichen Nummern die B-Formate größer als die A-<br />
Formate. Die C-Formate liegen zwischen der B-Reihe und der A-Reihe.<br />
Die Formate der D-Reihe sind am kleinsten.<br />
B0 = 1000 x 1414 mm<br />
C0 = 917 x 1297 mm<br />
A0 = 841 x 1189 mm<br />
D0 = 771 x 1091 mm<br />
B4 = 250 x 353 mm<br />
C4 = 229 x 324 mm<br />
A4 = 210 x 297 mm<br />
D4 = 192 x 272 mm<br />
Die Formate in Nor<strong>da</strong>merika basieren abweichend <strong>da</strong>von auf Zollmaßen.<br />
93
94<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
3.1.4 Schriftfelder und Stücklisten<br />
Die technischen Zeichnungen werden alle mit einem Schriftfeld versehen.<br />
Dieses Schriftfeld wird immer unten und rechts angeordnet.<br />
Das Grundschriftfeld ist 187 mm breit und 55 mm hoch. Diese Maße und<br />
der Inhalt sind in der DIN 6771, Teil 1 festgelegt. Seit dem Jahr 2004 ist<br />
diese DIN durch die DIN EN ISO 2700 ersetzt.<br />
Im linken Teil des Grundschriftfeldes werden Änderungen eingetragen.<br />
Dazu ist <strong>da</strong>s Datum der Änderung und der Name des Bearbeiters hinzuzufügen.<br />
Das größere Feld <strong>da</strong>rüber steht zur freien Verfügung.<br />
Im mittleren Teil wird unten die Firma eingetragen. Darüber werden <strong>da</strong>s<br />
Datum der Bearbeitung und der Name des Bearbeiters eingefügt. Auch<br />
<strong>da</strong>s Datum und der Bearbeiter für die Überprüfung der Zeichnung werden<br />
festgehalten. Darüber sind Felder vorgesehen für die zulässigen<br />
Abweichungen und für die Oberfläche des Werkstücks.<br />
Im rechten Teil des Schriftfeldes befindet sich unten die Zeichnungsnummer.<br />
Rechts <strong>da</strong>neben wird eingetragen, aus wievielen zusammengehörigen<br />
Blättern die Zeichnung insgesamt besteht.<br />
(Verwendungsbereich) (Zul. Abw.) (Oberfläche)<br />
Bearb.<br />
Gepr.<br />
Norm<br />
Zust Änderung Datum Name (Urspr.)<br />
Bild 26: Zeichnungskopf<br />
Datum Name<br />
(Firma des Zeichnungserstellers)<br />
Maßstab (Gewicht)<br />
(Werkstoff, Halbzeug)<br />
(Rohteil-Nr)<br />
(Modell- oder Gesenk-Nr)<br />
(Benennung)<br />
(Zeichnungsnummer) Blatt<br />
(Ers. f.:) (Ers. d.:) Bl.
Grundlagen<br />
Minos<br />
Weiter oben wird die Benennung des in der Zeichnung <strong>da</strong>rgestellten Teiles<br />
eingetragen. Der Werkstoff, aus dem <strong>da</strong>s Teil besteht, kommt in <strong>da</strong>s<br />
Feld <strong>da</strong>rüber.<br />
Ganz oben im rechten Teil des Schriftfeldes wird der Maßstab und rechts<br />
<strong>da</strong>neben <strong>da</strong>s Gewicht des Werkstückes festgehalten.<br />
Sollte für weitere Informationen <strong>da</strong>s Grundschriftfeld nicht ausreichen,<br />
so kann es durch weitere Felder ergänzt werden.<br />
Die Einzelteile einer Baugruppe oder eines ganzen Erzeugnisses werden<br />
in Stücklisten aufgeführt. Sie werden entweder mit auf die Gruppenoder<br />
Zusammenbauzeichnungen über <strong>da</strong>s Schriftfeld gesetzt oder gesondert<br />
<strong>da</strong>rgestellt. Die Stücklisten erhalten <strong>da</strong>nn ein ähnliches Schriftfeld<br />
wie die Zeichnungen.<br />
Für Stücklisten der Form A werden Zeichenblätter im Format A4 oder A3<br />
hochkant verwendet. In die Tabelle werden folgende Werte eingetragen:<br />
– Position,<br />
– Menge,<br />
– Einheit,<br />
– Benennung,<br />
– Sachnummer,<br />
– Bemerkung.<br />
Die Stücklisten der Form B gibt es nur im Format A4 quer. In die Tabelle<br />
werden folgende Werte eingetragen.<br />
– Position,<br />
– Menge,<br />
– Einheit,<br />
– Benennung,<br />
– Sachnummer,<br />
– Werkstoff,<br />
– Gewicht in kg/Einheit,<br />
– Bemerkung.<br />
95
96<br />
Minos<br />
3.1.5 Maßstäbe<br />
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
Beim Zeichnen von Teilen ist es oftmals nicht möglich, diese in originaler<br />
Größe abzubilden. Ein ganzes Gebäude kann nicht auf einem Blatt Papier<br />
gezeichnet werden, die Teile einer Uhr können <strong>da</strong>gegen so klein<br />
sein, <strong>da</strong>ss nichts mehr zu erkennen wäre. In <strong>and</strong>eren Fällen ist es einfach<br />
nicht sinnvoll, die Teile in ihrer wahren Größe <strong>da</strong>rzustellen.<br />
Um große Teile zeichnerisch <strong>da</strong>rstellen zu können, werden sie verkleinert<br />
gezeichnet. Umgekehrt werden kleine Teile vergrößert. Für die Vergrößerung<br />
und Verkleinerung sind feste Staffelungen festgesetzt. So<br />
können beispielsweise auch für Zeichnungen verschiedener Vergrößerung<br />
oder Verkleinerungen gleiche Schablonen verwendet werden.<br />
Die Staffelung der Maßstäbe ist in der DIN ISO 5455 festgelegt. Sie beträgt<br />
immer dezimale Vielfache von den Werten 1, 2 und 5.<br />
Zeichnungen von Bauteilen in natürlicher Größe werden im Maßstab 1:1<br />
erstellt. Das bedeutet, <strong>da</strong>ss jeder Millimeter auf der Zeichnung einem<br />
Millimeter im Original entspricht.<br />
Eine Verkleinerung großer Gegenstände kann beispielsweise im Maßstab<br />
1:2 erfolgen. Hier entspricht jeder Millimeter der Zeichnung zwei<br />
Millimetern im Original. Somit ist die Zeichnung nur halb so groß wie <strong>da</strong>s<br />
Teil in Wirklichkeit ist.<br />
Vergrößerungen können im Maßstab 2:1 erfolgen. Jeder Millimeter des<br />
Originals wird durch zwei Millimeter in der Zeichnung <strong>da</strong>rgestellt. Die<br />
Zeichnung ist deshalb doppelt so groß wie <strong>da</strong>s Original.<br />
Folgende Maßstäbe dürfen beispielsweise verwendet werden:<br />
Natürliche Größe: 1:1<br />
Verkleinerung: 1:2 1:5 1:10<br />
1:20 1:50 1:100<br />
1:200 1:500 1:1000<br />
Vergrößerung: 2:1 5:1 10:1<br />
20:1 50:1 100:1<br />
200:1 500:1 1000:1<br />
Lösen Sie die Aufgabe 46 im Übungsbuch!
Grundlagen<br />
3.2 Darstellungen in Zeichnungen<br />
3.2.1 Ansichten<br />
Bild 27: Ansichten<br />
Minos<br />
Beim Erstellen von Zeichnungen ist es im Allgemeinen nicht ausreichend,<br />
ein Teil nur von einer Seite zu zeichnen. Damit ist es nicht möglich, alle<br />
notwendigen Informationen <strong>da</strong>rzustellen. Das Teil muss also in mehreren<br />
Ansichten gezeichnet werden.<br />
Die Darstellung der verschiedenen Ansichten erfolgt <strong>da</strong>bei durch ein<br />
ge<strong>da</strong>chtes Umklappen des Werkstückes auf dem Blatt Papier. Je nachdem,<br />
wie <strong>da</strong>s Teil liegt, wird die oben liegende Ansicht gezeichnet.<br />
Zunächst wird die Vorderansicht gezeichnet. Die beiden Seitenansichten<br />
werden durch <strong>da</strong>s ge<strong>da</strong>chte Umklappen nach links oder rechts erzeugt.<br />
Darunter wird die Draufsicht auf <strong>da</strong>s Teil angeordnet.<br />
Reichen diese Ansichten nicht aus, so kann ganz rechts die Rückansicht<br />
und oben die Unteransicht <strong>da</strong>rgestellt werden. Es müssen aber nur diese<br />
Ansichten gezeichnet werden, die weitere Informationen enthalten,<br />
die bisher nicht <strong>da</strong>rgestellt waren.<br />
Ein Abweichen von dem Darstellen durch Umklappen muss unbedingt<br />
mit angegeben werden.<br />
97
98<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
3.2.2 Linienarten und Liniendicken<br />
In technischen Zeichnungen werden unterschiedliche Liniendicken sowie<br />
verschiedene Arten von Linien verwendet. Die Zeichnung wird <strong>da</strong>durch<br />
übersichtlicher und besser lesbar.<br />
Abhängig vom Format der Zeichnung sollten in einer Zeichnung nur zwei<br />
Liniendicken verwendet werden. Zusätzlich ist eine dritte Liniendicke für<br />
die Beschriftung möglich.<br />
Für eine Zeichnung im Format A1 wird die Liniengruppe 1 verwendet.<br />
Dicke Linien werden mit einer Breite von 1,0 mm gezeichnet. Für dünne<br />
Linien wird eine Linienbreite von nur 0,5 mm verwendet. Die Schriften<br />
<strong>da</strong>gegen werden mit einer Linienbreite von 0,7 mm erstellt.<br />
Bei einer Zeichnung im Format A4 kommt die Liniengruppe 0,5 zum Einsatz.<br />
Hier sind die dicken Linien entsprechend 0,5 mm breit, während<br />
die dünnen Linien eine Breite von 0,25 mm haben. Die Linien von Schriften<br />
sind 0,35 mm breit.<br />
Eine dicke Vollinie wird bei sichtbaren Kanten verwendet. Auch die<br />
Gewindetiefe sowie die Spitzen des Gewindes werden durch eine dicke<br />
Vollinie begrenzt.<br />
Die schmale Vollinie wird <strong>da</strong>gegen eingesetzt, um Maß- oder Hilfslinien<br />
zu zeichnen. Auch Schraffuren werden mit schmalen Vollinien erstellt.<br />
Für den Gewindegrund sind ebenfalls dünne Vollinien zu verwenden.<br />
Freih<strong>and</strong>linien werden ebenfalls dünn gezeichnet. Sie werden verwendet,<br />
um den Verlauf einer geschnittenen Darstellung abzugrenzen.<br />
Mit Strich-Linien werden Kanten gezeichnet, die verdeckt und somit nicht<br />
sichtbar sind. Diese Linien werden ebenfalls schmal gezeichnet.<br />
Mittellinien werden mit einer Strich-Punkt-Linie gezeichnet. Auch Teilkreise<br />
bei Verzahnungen oder Lochkreise werden so <strong>da</strong>rgestellt. Diese<br />
Linien sind ebenfalls dünn.<br />
Eine dicke Strich-Punkt-Linie <strong>da</strong>gegen kennzeichnet beispielsweise eine<br />
geforderte Wärmebeh<strong>and</strong>lung.<br />
Weiterhin sind schmale Strich-Zweipunkt-Linien möglich. Sie stellen beispielsweise<br />
<strong>da</strong>r, welche Grenzstellung bewegliche Teile einnehmen können.
3.2.3 Schnitte<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Nicht alle Abmessungen eines Körpers sind von außen sichtbar. Um die<br />
inneren Kanten zeichnen zu können, wird <strong>da</strong>s Teil zeichnerisch aufgeschnitten.<br />
Die geschnittenen Flächen werden mit einer dünnen Vollinie schraffiert<br />
<strong>da</strong>rgestellt. Da die <strong>da</strong>nn sichtbaren Schnittkanten Begrenzungen des<br />
Körpers sind, werden sie mit einer dicken Vollinie gezeichnet.<br />
Die Schraffur wird immer unter einem Winkel von 45° gezeichnet. Stoßen<br />
mehrere geschnitten <strong>da</strong>rgestellte Flächen zusammen, so ist entweder<br />
die Schraffur entweder im entgegengesetzten Winkel zu zeichnen<br />
oder der Abst<strong>and</strong> der Schraffurlinien ist zu verändern.<br />
Es müssen jedoch alle geschnittenen Flächen, die zu einem Körper gehören,<br />
in der gleichen Weise schraffiert werden.<br />
Lässt sich nicht eindeutig erkennen, wo <strong>da</strong>s Teil geschnitten wurde, so<br />
muss in einer ungeschnittenen Ansicht die Schnittlinie eingezeichnet werden.<br />
Für diesen Schnittverlauf ist eine breite Strich-Punkt-Linie zu verwenden.<br />
An die Linie des Schnittverlaufs werden außerhalb des Werkstückes Pfeile<br />
angezeichnet. Diese stellen <strong>da</strong>r, von welcher Richtung aus auf die geschnittene<br />
Fläche gesehen wird. Jeder Pfeil wird <strong>da</strong>bei mit einem Großbuchstaben<br />
bezeichnet. Ist die Schnittlinie nicht gerade durchgängig<br />
sondern abgesetzt, so müssen auch diese Knickstellen bezeichnet werden.<br />
Bild 28: Schraffur<br />
99
100<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
Über den Schnitt<strong>da</strong>rstellungen wird die Sichtrichtung beschrieben. So<br />
bedeutet beispielsweise Schnitt A-B, <strong>da</strong>ss die entsprechende Schnittzeichnung<br />
<strong>da</strong>s geschnittene Bauteil entlang der Schnittlinie zeigt, die mit<br />
den Buchstaben A und B bezeichnet ist.<br />
Es werden jedoch nicht alle Bauteile geschnitten <strong>da</strong>rgestellt. Nicht geschnitten<br />
werden beispielsweise<br />
– Schrauben, Muttern und Scheiben,<br />
– Nieten und Bolzen,<br />
– Wellen,<br />
– Kugeln oder Rollen von Wälzlagern,<br />
– Paßfedern und Stifte,<br />
– Zähne von Zahnrädern,<br />
– Rippen oder Stege.<br />
Es ist auch möglich, nur einen Teil des Werkstückes geschnitten zu zeichnen.<br />
Der geschnittene Bereich wird entweder durch eine Mittellinie begrenzt<br />
oder durch eine Freih<strong>and</strong>linie.<br />
Bild 29: Schnitte
Grundlagen<br />
3.3 Maßeintragungen in Zeichnungen<br />
Minos<br />
Neben der Darstellung des Teiles sollen aus einer Zeichnung auch verschiedene<br />
Maße entnommen werden können. Das Eintragen der Maße<br />
ist in DIN 406 festgelegt.<br />
Die Hauptmaße bezeichnen die größte Länge, Breite und Höhe der gezeichneten<br />
Teiles. Die Fertigungsmaße <strong>da</strong>gegen sind Maße, die bei der<br />
Fertigung benötigt werden.<br />
Als Funktions- und Anschlussmaße werden die Maße bezeichnet, die<br />
für <strong>da</strong>s Zusammenwirken mehrerer Teile erforderlich sind. Die Maße, die<br />
geprüft werden müssen, werden als Prüfmaße bezeichnet.<br />
3.3.1 Maßlinien, Maßhilfslinien und Maßzahlen<br />
Zum Eintragen der Maße in die Zeichnung werden Maßlinien verwendet.<br />
Dabei h<strong>and</strong>elt es sich um dünne Vollinien. Es dürfen keine Mittellinien<br />
oder Körperkanten als Maßlinien benutzt werden. Die Maßlinien sollen<br />
einen Abst<strong>and</strong> von 10 mm von dem Körper haben. Weitere Maßlinien<br />
können in einem Abst<strong>and</strong> von 7 mm gezeichnet werden.<br />
An <strong>da</strong>s Ende der Maßlinien werden Maßpfeile gezeichnet. Dabei h<strong>and</strong>elt<br />
es sich um schmale, voll gezeichnete Pfeile. Die Länge der Maßpfeile<br />
beträgt <strong>da</strong>s Fünffache der Linienstärke. Es können als Abschluss<br />
aber auch Schrägstriche oder Punkte verwendet werden. Pro Zeichnung<br />
ist aber nur eine Art der Maßlinienbegrenzung zulässig.<br />
Die Maßlinien werden bis an die zu bemaßende Körperkante gezeichnet.<br />
Ist dies nicht möglich, so werden Maßhilfslinien verwendet. Diese<br />
dienen <strong>da</strong>zu, die Maßlinien parallel zu verschieben. Die Maßhilfslinien<br />
sollen 2 mm über die Maßlinien hinausragen. Sie dürfen aber nicht von<br />
einer Ansicht bis zur nächsten Ansicht gezogen werden.<br />
Für die Eintragung der Maße wird die Normschrift nach DIN 6776 verwendet.<br />
Diese Maßzahlen werden an die Maßlinie geschrieben. Alle Maße<br />
werden grundsätzlich in mm angegeben. Aus diesem Grund brauchen<br />
keine Einheiten in der Zeichnung angegeben werden.<br />
Die Maßzahlen müssen so an die Maßlinien geschrieben werden, <strong>da</strong>ss<br />
sie von rechts oder von unten zu lesen sind. Geänderte Maße, die nicht<br />
mehr maßstabsgerecht sind, werden unterstrichen. Die Prüfmaße sind<br />
oval eingerahmt.<br />
Bei mittels CAD erstellten Zeichnungen <strong>da</strong>rf die Maßlinie von der Maßzahl<br />
unterbrochen werden. Auch dürfen die Maßpfeile aus nur zwei Linien<br />
bestehen. Weiterhin müssen die Maßhilfslinien nicht über die Maßlinien<br />
hinausstehen.<br />
101
102<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
3.3.2 Besonderheiten bei der Bemaßung<br />
Mit Maßlinien und Maßhilfslinien lassen sich leicht gerade Kanten bemaßen.<br />
Für Rundungen und Kugeln sind jedoch weitere Bemaßungsregeln<br />
erforderlich.<br />
Bei Radien wird vor die Maßzahl der Buchstabe R gesetzt. Der Maßpfeil<br />
zeigt auf die Rundung. Das <strong>and</strong>ere Ende des Maßpfeiles muss durch<br />
den Mittelpunkt des Kreises gehen.<br />
Der Mittelpunkt des Kreises braucht aber nur <strong>da</strong>nn mit eingezeichnet zu<br />
werden, wenn er für die Funktion oder die Fertigung erforderlich ist. Wenn<br />
in der Darstellung die Kreisform nicht zu erkennen ist, so muss <strong>da</strong>s Durchmesserzeichen<br />
Ø der Maßzahl vorangestellt werden.<br />
Liegt der Kreismittelpunkt der Rundung zu weit entfernt um ihn mit einzeichnen<br />
zu können, so wird die Maßlinie verkürzt. Dies geschieht durch<br />
einen kurzen rechtwinkligen Versatz.<br />
Bei kleinen Radien kann der Platz zwischen Kreismittelpunkt und Radius<br />
nicht ausreichen, um den Maßpfeil mit der Maßzahl <strong>da</strong>zwischen einzutragen.<br />
In diesem Fall ist der Maßpfeil mit der Maßzahl außen an den<br />
Radius zu zeichnen.<br />
Die Radien an Kanten sind in der Zeichnung oft nicht zu erkennen. Deshalb<br />
werden sie ohne Mittelpunkt gezeichnet. Es zeigt nur der Maßpfeil<br />
mit der Maßzahl für den Kantenradius auf die zu bezeichnende Kante.<br />
Bei Kugeln wird der Maßzahl <strong>da</strong>s Durchmesserzeichen Ø vorangestellt.<br />
Ist <strong>da</strong>gegen der Mittelpunkt nicht mit eingezeichnet, so wird statt dessen<br />
der Buchstabe R verwendet.<br />
Bild 30: Maße an Rundungen
Grundlagen<br />
Minos<br />
Rechteckflächen können mit einem Diagonalkreuz gekennzeichnet werden.<br />
Die ist vorallem <strong>da</strong>nn erforderlich, wenn diese Fläche als Rechteckfläche<br />
erkennbar sein muss, dies aber in der Zeichnung nicht zu erkennen<br />
ist. Für <strong>da</strong>s Diagonalkreuz ist eine dünne Vollinie zu verwenden.<br />
Werden zwei gegenüberliegende Rechteckflächenan einem Runden Teil<br />
<strong>da</strong>zu verwendet, <strong>da</strong>ss ein Schraubenschlüssel an dieser Stelle angesetzt<br />
wird, so ist die Angabe der Schlüsselweite möglich. Diese wird durch<br />
die Buchstaben SW symbolisiert.<br />
An verschiedenen Teilen können auch schräge Flächen auftreten.<br />
Bei einem Kegel h<strong>and</strong>elt es sich um eine gleichmäßige Querschnittsveränderung<br />
von Kreisquerschnitten.<br />
Als Verjüngung wird eine Querschnittsänderung bezeichnet, wenn sich<br />
diese gleichmäßig an einem prismatischen Querschnitt ändert. Hiebei<br />
kann es sich beispielsweise um einen pyramidenförmigen Körper h<strong>and</strong>eln.<br />
Als Neigung wird die Querschnittsänderung benannt, wenn sich diese<br />
Änderung nur einseitig ändert.<br />
Die Bemaßung kann durch die Angabe des Winkels erfolgen oder durch<br />
die Angabe des Steigungsverhältnisses. Entsprechend der DIN 254 sollen<br />
folgende Kegel verwendet werden:<br />
leicht lösbare Kegel:<br />
1:3 9° 27´ 44´´<br />
1:5 5° 42´ 38´´<br />
selbsthemmende Kegel:<br />
1:10 2° 51´ 45´´<br />
1:20 1° 25´ 56´´<br />
1:30 0° 57´ 17´´<br />
1:50 0° 34´ 23´´<br />
Bei der Bezeichnung mit dem Steigungsverhältnis wird den Zahlen ein<br />
Dreieck vorangestellt. Dieses Dreieck muss <strong>da</strong>bei in die Richtung der<br />
Neigung zeigen.<br />
103
104<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
3.4 Oberflächenbeschaffenheit<br />
Beim Bearbeiten von Werkstücken entstehen auf den Oberflächen mehr<br />
oder weniger tiefe Rillen, Riefen oder <strong>and</strong>ere Unebenheiten. Die Qualität<br />
der Oberfläche wird von der Anzahl und Tiefe dieser Unebenheiten<br />
bestimmt. Mit dem Begriff Rauheit wird die Oberflächenqualität beschrieben.<br />
Eine glatte Oberfläche besteht aus vielen kleineren Rillen. Je tiefer und<br />
<strong>da</strong>mit auch größer die Rillen sind, desto schlechter ist die Qualität der<br />
Oberfläche.<br />
Die Tiefe der Unebenheiten wird als Rauhtiefe R t bezeichnet. Dabei wird<br />
der Abst<strong>and</strong> von der Höhe einer Unebenheit bis zur tiefsten Stelle gemessen.<br />
Die Rauheit wird in µm angegeben, also in Tausendstel Millimetern.<br />
Diese Angabe der Rauheit bezieht sich allerdings nur auf eine einzige<br />
Vertiefung. Da die Oberflächen jedoch mit einer Vielzahl von Unebenheiten<br />
überzogen sind, werden die unterschiedlichen einzelnen Rauhtiefen<br />
zu einem Wert zusammengefasst. In der DIN 4768 sind <strong>da</strong>für zwei<br />
Rauheitsmessgrößen festgelegt.<br />
Mit dem Mittenrauhwert R a wird der arithmetische Mittelwert aller Unebenheiten<br />
entlang einer zu messenden Strecke bezeichnet. Es werden<br />
also alle Unebenheiten zusammengezählt und durch die Anzahl der Unebenheiten<br />
geteilt. Sehr selten vorkommende, aber besonders tiefe Unebenheiten<br />
fallen bei dieser Berechnung allerdings kaum ins Gewicht.<br />
Bei der gemittelten Rauhtiefe R z wird eine Messstrecke in fünf gleich<br />
große Teilstücke aufgeteilt. Die Rauhtiefen dieser einzelnen gemessenen<br />
Strecken werden addiert und durch die Anzahl der Messungen geteilt.<br />
Die Mittenrauhwerte R a können auch als Rauheitsklassen N angegeben<br />
werden. Dabei bedeuten höhere Werte der Rauheitsklasse auch eine<br />
rauhere Oberfläche. Folgende Mittenrauhwerte R a entsprechen <strong>da</strong>bei<br />
den Rauheitsgraden:<br />
Mittenrauhwert Ra (in µm) Rauheitsgrad Nr.<br />
50 N12<br />
25 N11<br />
12,5 N10<br />
6,3 N9<br />
3,2 N8<br />
1,6 N7<br />
0,8 N6<br />
0,4 N5<br />
0,2 N4<br />
0,1 N3<br />
0,05 N2<br />
0,025 N1
Grundlagen<br />
Minos<br />
Bei verschiedenen Fertigungsverfahren werden unterschiedliche<br />
Oberflächenqualitäten erreicht. Die folgenden Angaben für Mittenrauhwerte<br />
R a stellen einige Beispiele <strong>da</strong>r. Die Werte in Klammern werden<br />
<strong>da</strong>bei nur bei besonderer Sorgfalt oder bei besonders grober Fertigung<br />
erreicht.<br />
Urformen:<br />
S<strong>and</strong>formgießen 12,5 - 50<br />
Druckgießen 3,2 - 50<br />
Feingießen (0,8) 1,6 - 3,2 (6,3)<br />
Umformen:<br />
Gesenkschmieden (0,8) 3,2 - 12,5 (25)<br />
Tiefziehen (0,2) 1,6 - 3,2 (6,3)<br />
Strangpressen (0,8) 3,2 - 12,5 (25)<br />
Tennen:<br />
Längsdrehen (0,2) 0,8 - 12,5 (50)<br />
Pl<strong>and</strong>rehen (0,4) 0,8 - 12,5 (50)<br />
Feilen (0,4) 1,6 - 12,5 (25)<br />
Bohren (1,6) 6,3 - 12,5 (25)<br />
Schleifen (0,1) 0,4 - 3,2 (12,5)<br />
105
106<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
3.4.1 Angabe der Oberflächenbeschaffenheit in der Zeichnung<br />
Nach der DIN ISO 1302 werden Oberflächen entsprechend ihrer Beschaffenheit<br />
mit Symbolen gekennzeichnet. Anh<strong>and</strong> dieser Symbole kann<br />
man erkennen, welche Rauhigkeit die Oberfläche aufweist, wie sie bearbeitet<br />
wurde oder ob sie beispielsweise mit einer Lackierung versehen<br />
ist.<br />
Das Grundsymbol, <strong>da</strong>s ohne Ergänzungen nicht sinnvoll ist, wird durch<br />
ein hakenförmiges Zeichen gebildet. Ist der Haken oben geschlossen,<br />
so wird eine materialabnehmende Bearbeitung gefordert. Die Oberfläche<br />
muss also durch Drehen, Fräsen, Hobeln oder ähnlichen<br />
Bearbeitungsverfahren entst<strong>and</strong>en sein.<br />
Beim Symbol für eine spanlose Bearbeitung der Oberfläche ist innerhalb<br />
des Hakens ein Kreis eingefügt. Die Oberfläche wurde also durch eine<br />
Bearbeitung wie Walzen, Schmieden oder Gießen gebildet.<br />
Die Grundsymbole werden durch weitere Angaben ergänzt. Diese werden<br />
an verschiedenen Stellen des Grundsymbols hinzugefügt.<br />
a Mittenrauhwert Ra in µm oder Rauheitsklasse N<br />
b Fertigungsverfahren, Oberflächenbeh<strong>and</strong>lung, Überzug<br />
c Bezugsstrecke<br />
d Rillenrichtung<br />
e Bearbeitungszugabe in mm<br />
f <strong>and</strong>ere Rauhigkeitsmessgrößen<br />
Das Symbol für die Rauhigkeit wird normalerweise direkt an die zu bezeichnende<br />
Fläche angefügt. Dies ist jedoch nicht immer möglich. In diesem<br />
Fall wird eine dünne Vollinie vom Symbol für die Oberflächenbeschaffenheit<br />
zur Oberfläche des Werkstückes gezogen und mit einem<br />
Pfeil versehen.<br />
a<br />
e d<br />
b<br />
c (f)<br />
Bild 31: Symbole der Oberflächenbeschaffenheit<br />
Geschliffen<br />
R z 0,8
Grundlagen<br />
3.5 Form- und Lagetoleranzen<br />
Geradheit<br />
Ebenheit<br />
Rundheit<br />
Zylinderform<br />
Profil einer Linie<br />
Profil einer Fläche<br />
Parallelität<br />
Minos<br />
Es ist jedoch auch möglich, an der Oberfläche nur <strong>da</strong>s Grundsymbol<br />
ohne Ergänzungen anzubringen und mit einer Kurzbezeichnung zu versehen.<br />
Direkt über dem Schriftfeld der Zeichnung wird dieses Kurzzeichen<br />
dem vollständigen Symbol gegenübergestellt und <strong>da</strong>mit erläutert.<br />
Die Symbole für die Oberflächenbeschaffenheit beziehen sich nur auf<br />
die Rauheit der Außenfläche eines Werkstückes. Bei der Fertigung gibt<br />
es aber auch Abweichungen von der theoretischen Form und der Lage<br />
der Best<strong>and</strong>teile eines Teiles.<br />
Die Form- und Lagetoleranzen <strong>da</strong>gegen beziehen sich somit auf die<br />
Anordnung mehrerer Körper zuein<strong>and</strong>er. Sie legen fest, wie eben eine<br />
Fläche sein muss, in welchem Winkel Teile zuein<strong>and</strong>er stehen oder ob<br />
sich Bohrungen an der richtigen Stelle befinden.<br />
Die Toleranzen für Form und Lage werden aber nur <strong>da</strong>nn mit in die Zeichnung<br />
aufgenommen, wenn sie für die Fertigung oder für die Funktion<br />
bedeutsam sind. Auch für die Austauschbarkeit verschiedener Werkstücke<br />
sind diese Toleranzen wichtig.<br />
0.02<br />
A<br />
0.02 A<br />
0.02 A<br />
0.02 A<br />
0.02 A<br />
0.02 A<br />
0.02<br />
Bild 32: Symbole für tolerierte Eigenschaften<br />
A<br />
Rechtwinklichkeit<br />
Neigung<br />
Position<br />
Konzentrität<br />
Symmetrie<br />
Lauf<br />
Gesamtlauf<br />
0.02<br />
0.02<br />
A<br />
A<br />
0.02 A<br />
0.02<br />
0.02<br />
0.02 A<br />
0.02<br />
A<br />
A<br />
A<br />
107
108<br />
Minos<br />
Toleranzrahmen<br />
Toleranzwert<br />
Symbol<br />
Bezug<br />
Grundlagen<br />
Tolerierter Kreisquerschnitt<br />
Bild 33: Rundlauf- und Planlauftoleranz<br />
Die Formtoleranzen legen fest, inwieweit Abweichungen von der vorgegebenen<br />
Form auftreten können. Zu ihnen zählen die Geradheit, die<br />
Ebenheit, die Rundheit, die Zylinderform, die Linienform und die Flächenform.<br />
Die Toleranzen werden in einem Rahmen angegeben. Links ist <strong>da</strong>s entsprechende<br />
Symbol für die Toleranzform abgebildet. Rechts <strong>da</strong>neben<br />
wird der Zahlenwert für die Abweichung angegeben. Mit einem Pfeil wird<br />
angezeigt, worauf sich die Toleranzangabe bezieht.<br />
Bei der Rundheit wird durch den Toleranzwert beispielsweise festgelegt,<br />
wieweit der wirkliche Umfang des Teiles von zwei inein<strong>and</strong>erliegenden<br />
konzentrischen Kreisen abweicht. Der Abst<strong>and</strong> zwischen diesen beiden<br />
Kreisen wird durch den Toleranzwert angegeben.<br />
Ähnliches gilt für die Ebenheit. Hier werden zwei parallele Flächen festgelegt,<br />
die einen Abst<strong>and</strong> zuein<strong>and</strong>er entsprechend dem Toleranzwert<br />
haben. Zwischen diesen beiden Flächen muss die Oberfläche der tolerierten<br />
Fläche befinden.<br />
Bei der Zylinderform werden durch die Toleranzwerte zwei Zylinder vorgegeben,<br />
die sich inein<strong>and</strong>er befinden und einen Abst<strong>and</strong> vonein<strong>and</strong>er<br />
aufweisen, der vom Toleranzwert bestimmt wird. Die Zylinderoberfläche<br />
des Werkstückes muss sich wie bei der Ebenheit zwischen diesen beiden<br />
Zylindern befinden.<br />
Entsprechend gelten die Toleranzwerte für die Abweichung einer Achse<br />
bei der Geradheit und der Abweichung einer Linie oder gewölbten Fläche<br />
bei der Linienform und der Flächenform.<br />
0.25<br />
Tolerierte<br />
Fläche<br />
0.16
A<br />
Grundlagen<br />
0.4<br />
A<br />
C<br />
0.2<br />
C<br />
Minos<br />
Zu den Richtungstoleranzen gehören die Parallelitäts-, die<br />
Rechtwinkligkeits- und die Neigungstoleranz. Hier werden wenn erforderlich<br />
rechts in den Toleranzrahmen Buchstaben einesetzt, die den<br />
Bezug zu einer Fläche angeben.<br />
Die Parallelitätstoleranz bestimmt die Lage einer Linie zu einer Bezugsfläche.<br />
So verläuft beispielsweise eine Bohrung nicht genau parallel zu<br />
einer Oberfläche, die mit A bezeichnet ist.<br />
Diese Richtungstoleranz legt fest, mit welcher maximalen Toleranz die<br />
Achse der Bohrung von der idealen Linie abweichen <strong>da</strong>rf. In dem<br />
Beschriftungsfeld symbolisieren zwei parallele Linien die Parallelitätstoleranz,<br />
die Zahl gibt den Toleranzbereich in Millimetern an und der<br />
Buchstabe kennzeichnet die Bezugsfläche.<br />
Entsprechend bestimmt die Rechtwinkligkeitstoleranz, in welchem Bereich<br />
die senkrechte Fläche liegen muss und wieweit sie dementsprechend<br />
von der Rechtwinkligkeit abweichen <strong>da</strong>rf. Das <strong>da</strong>zugehörige Symbol<br />
zeigt zwei rechtwinklig aufein<strong>and</strong>er stehende Linien.<br />
Für <strong>and</strong>ere als rechte Winkel gilt die Neigungstoleranz. Sie entspricht<br />
der Rechtwinkligkeitstoleranz, nur für den entsprechend vorgegebenen<br />
Winkel. Im Symbol ist dies durch zwei in einem spitzen Winkel stehende<br />
Linien <strong>da</strong>rgestellt.<br />
Bild 34: Parallelitäts- und Rechtwinkligkeitstoleranzen<br />
109
110<br />
Minos<br />
12.0<br />
Grundlagen<br />
Bild 35: Orts- und Lauftoleranzen<br />
A<br />
Zu den Ortstoleranzen gehört die Positionstoleranz eines Punktes. So<br />
muss der Mittelpunkt einer Bohrung innerhalb eines Kreises liegen, der<br />
einen Durchmesser mit dem angegebenen Wert hat. Der Mittelpunkt des<br />
Toleranzkreises liegt <strong>da</strong>bei genau an der idealen Stelle, die von der Zeichnung<br />
vorgegeben wird.<br />
Zu den Ortstoleranzen gehören weiterhin die Toleranzen für Konzentrizität<br />
und Koaxialität. Sie beziehen sich auf die Achse einer Welle, die in<br />
einem bestimmten Bereich liegen muss.<br />
Auch die Toleranz für die Symmetrie ist eine Ortstoleranz. Durch sie wird<br />
beispielsweise bestimmt, inwieweit sich eine Nut in der Mitte eines Teiles<br />
befindet.<br />
Die Lauftoleranzen gelten für sich drehende Teile. Bei der Drehung einer<br />
Welle um die Bezugsachse A-B <strong>da</strong>rf die Abweichung des Rundlaufes<br />
den angegebenen Wert nicht übersteigen. Die Planlauftoleranz legt diesen<br />
Wert für die Fläche am Ende des sich drehenden Werkstücks fest.<br />
Die Gesamtlauftoleranzen unterscheiden sich zu den Rundlauftoleranzen<br />
<strong>da</strong>durch, <strong>da</strong>ss zusätzlich zur drehenden Bewegung eine axiale oder radiale<br />
Verschiebung des Werkstückes vorgenommen wird.<br />
0.06<br />
0.3<br />
A-B<br />
B<br />
8.0<br />
C<br />
0.06<br />
C
3.5.1 Maßtoleranzen<br />
Toleranzklasse<br />
Beispiel<br />
Nennmaßbereich<br />
in mm<br />
f (fein)<br />
m (mittel)<br />
g (grob)<br />
sg (sehr grob)<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Die Herstellung von Werkstücken erfolgt aus technischen und wirtschaftlichen<br />
Gründen nicht mit den exakt genauen Maßen. Je nach den gewünschten<br />
Anforderungen sind Abweichungen zulässig. Diese werden<br />
als Maßtoleranzen angegeben.<br />
Eine einfache Möglichkeit ist die Angabe von Allgemeintoleranzen entsprechend<br />
DIN 7161. Die Werte für die Abweichungen gelten in diesem<br />
Fall für die gesamte Zeichnung.<br />
Das von der Zeichnung vorgegebene Maß wird als Nennmaß N bezeichnet,<br />
die Abweichung <strong>da</strong>von als Abmaß A. In der Tabelle sind die Werte<br />
für <strong>da</strong>s obere und untere Grenzmaß bei verschiedenen Nennmaßen und<br />
Toleranzklassen angegeben.<br />
Im Schriftfeld der Zeichnung für ein Bauteil ist die Allgemeintoleranz „mittel“<br />
vorgegeben. Das Bauteil hat eine Abmessung von 150 mm. Das<br />
Sollmaß S ist somit 150 mm ± 5 mm = 149,5 ... 150,5 mm.<br />
Die Werte berechnen sich wie folgt:<br />
Nennmaß + oberes Grenzmaß = Höchstmaß<br />
150 mm + 0,5 mm = 150,5 mm<br />
Nennmaß + unteres Grenzmaß = Mindestmaß<br />
150 mm + (–0,5 mm) = 149,5 mm<br />
Höchstmaß – Mindestmaß = Maßtoleranz<br />
150,5 mm – 149,5 mm = 1,0 mm<br />
0,5 bis<br />
3<br />
0,05<br />
0,1<br />
0,15<br />
–<br />
über<br />
3 bis<br />
6<br />
0,05<br />
0,1<br />
0,2<br />
0,5<br />
über<br />
6 bis<br />
30<br />
0,1<br />
0,2<br />
0,5<br />
Bild 36: Grenzabmaße für Längenmaße ohne Toleranzangabe<br />
1<br />
über<br />
30 bis<br />
120<br />
0,15<br />
0,3<br />
0,8<br />
1,5<br />
über<br />
120 bis<br />
400<br />
0,2<br />
0,5<br />
1,2<br />
2<br />
über<br />
400 bis<br />
1000<br />
0,3<br />
0,8<br />
2<br />
3<br />
111
112<br />
Minos<br />
ISO-Toleranzklasse<br />
Nennmaßbereich in mm<br />
Beispiel<br />
ISO-Toleranzreihe<br />
über 10<br />
bis 18<br />
über 18<br />
bis 30<br />
über 30<br />
bis 50<br />
über 50<br />
bis 80<br />
über 80<br />
bis 120<br />
über 120<br />
bis 180<br />
Grundlagen<br />
Werden statt der gesamten Maße der Zeichnung nur einzelne Maße mit<br />
einer Toleranzangabe versehen, so werden die Werte rechts neben <strong>da</strong>s<br />
Nennmaß geschrieben. Das obere Grenzmaß wird <strong>da</strong>bei hochgestellt,<br />
während <strong>da</strong>s untere Grenzmaß tiefgestellt <strong>da</strong>runter angeordnet wird.<br />
+0,3<br />
78 –0,2<br />
oberes Grenzmaß<br />
unteres Grenzmaß<br />
Nennmaß<br />
Auf diese Weise könnten sehr viele verschiedene Toleranzangaben gemacht<br />
werden. Deshalb wird die Anzahl der möglichen Toleranzwerte<br />
beschränkt. Dies erfolgt entsprechend dem ISO-Toleranzsystem nach<br />
DIN 7151. Darin sind in Abhängigkeit vom Nennmaß 20 Toleranzklassen<br />
und 13 Nennmaßklassen festgelegt.<br />
In der Tabelle sind die wichtigsten ISO-Grundtoleranzen aufgeführt. Die<br />
Toleranzwerte sind in µm angegeben.<br />
Eine Welle hat einen Durchmesser von 60 mm. Die Toleranz soll nach<br />
IT6 festgelegt sein. Aus der Tabelle wird der Wert 19 abgelesen.<br />
Somit beträgt die Toleranz 19 µm = 0,019 mm.<br />
2<br />
IT2<br />
2<br />
2,5<br />
2,5<br />
Bild 37: ISO-Grundtoleranzen (Teil)<br />
3<br />
4<br />
5<br />
3<br />
IT3<br />
3<br />
4<br />
4<br />
5<br />
6<br />
8<br />
4<br />
IT4<br />
5<br />
6<br />
7<br />
8<br />
10<br />
12<br />
5<br />
IT5<br />
8<br />
9<br />
11<br />
13<br />
15<br />
18<br />
6<br />
IT6<br />
11<br />
13<br />
16<br />
19<br />
22<br />
25<br />
7<br />
IT7<br />
18<br />
21<br />
25<br />
30<br />
35<br />
40<br />
8<br />
IT8<br />
27<br />
33<br />
39<br />
46<br />
54<br />
63<br />
9<br />
IT9<br />
43<br />
52<br />
62<br />
74<br />
87<br />
100<br />
10<br />
IT10<br />
70<br />
84<br />
100<br />
120<br />
140<br />
160<br />
11<br />
IT11<br />
110<br />
130<br />
160<br />
190<br />
220<br />
250
Grundlagen<br />
Minos<br />
Die mit den Toleranzklassen festgelegte Toleranz wird auch als Toleranzfeld<br />
bezeichnet. Der Wert bestimmt die Größe des Bereiches, nicht jedoch<br />
seine Lage. Das bedeutet, <strong>da</strong>ss es möglich ist, <strong>da</strong>s die Abweichungen<br />
in beide Richtungen verschieden groß sein dürfen.<br />
Die Lage des Toleranzfeldes ist ebenfalls in Klassen festgelegt. Diese<br />
Klassen werden mit Buchstaben bezeichnet. Für Toleranzen von Innenmaßen<br />
wie Bohrungen werden große Buchstaben verwendet. Die Toleranzen<br />
der Außenmaße wie bei Wellen werden <strong>da</strong>gegen durch kleine<br />
Buchstaben gekennzeichnet.<br />
Für die Innenmaße gilt für die Lage der Toleranzfelder:<br />
Toleranzfeldlage A bis G Innenmaß > Nennmaß<br />
Toleranzfeldlage H Innenmaß ≥ Nennmaß<br />
Toleranzfeldlage J bis JS Innenmaß < oder > Nennmaß<br />
Toleranzfeldlage K bis ZC Innenmaß < Nennmaß<br />
Entsprechend gilt für die Lage der Toleranzfelder der Außenmaße:<br />
Toleranzfeldlage a bis g Außenmaß < Nennmaß<br />
Toleranzfeldlage h Außenmaß ≤ Nennmaß<br />
Toleranzfeldlage j bis js Außenmaß > oder < Nennmaß<br />
Toleranzfeldlage k bis zc Außenmaß > Nennmaß<br />
Innenmaß (Bohrung) Außenmaß (Welle)<br />
A H T a h t<br />
Bild 38: Lage der Toleranzfelder<br />
Nennmaß<br />
113
114<br />
Minos<br />
Beispiel<br />
3.5.2 Passungen<br />
Grundlagen<br />
Die komplette Toleranzangabe besteht aus dem Nennmaß, der Grundtoleranz<br />
und der Toleranzfeldlage.<br />
Damit keine Verwechslungen entstehen, bestehen die Angaben für Toleranzen<br />
der Innenmaße aus Großbuchstaben, die hochgestellt an <strong>da</strong>s<br />
Nennmaß angetragen werden. Die Angaben für die Außenmaße bestehen<br />
aus kleinen Buchstaben, die tiefgestellt werden.<br />
Die zu den Angaben <strong>da</strong>zugehörigen Werte für die Toleranzen und die<br />
<strong>da</strong>durch sich ergebenden Sollmaße können aus den entsprechenden<br />
Tabellen entnommen werden.<br />
Folgende Toleranzangaben gelten beispielsweise für eine Bohrung und<br />
eine Welle von jeweils 45 mm Durchmesser:<br />
45 H7 45 h6<br />
Die beiden Werte von 45 mm stellen <strong>da</strong>s Nennmaß <strong>da</strong>r. Das hochgestellte<br />
große H und <strong>da</strong>s tiefgestellte kleine h bestimmen die Toleranzfeldlage.<br />
Für die Grundtoleranz steht bei der Bohrung die Ziffer 7 und bei<br />
der Welle die Ziffer 6.<br />
Bei einer Bohrung von 45 mm bedeutet diese Toleranzfeldlage, <strong>da</strong>ss die<br />
realen Werte von 0 bis +25 µm vom Nennmaß abweichen dürfen. Entsprechen<br />
diesen Werten <strong>da</strong>rf die Bohrung also einen Durchmesser von<br />
45,000 bis 45,025 mm haben.<br />
Bei der Welle mit einem Durchmesser von 45 mm <strong>da</strong>gegen <strong>da</strong>rf der tatsächliche<br />
Wert von 0 bis –16 µm vom Nennmaß abweichen. Damit ergibt<br />
sich ein Durchmesser von 44,984 bis 45,000 mm.<br />
Die Werte für die Toleranzen gelten zunächst nur für ein einzelnes Bauteil.<br />
Werden jedoch mehrere Teile zusammengefügt, so ist auch <strong>da</strong>s<br />
Zusammenpassen der einzelnen Toleranzen zu beachten. Jeweils zwei<br />
Toleranzwerte bilden zusammen deshalb eine Passung.<br />
So ist beim Beispiel mit der Welle zu sehen, <strong>da</strong>s beim Ausnutzen aller<br />
möglichen Toleranzwerte die Welle fast immer kleiner als die Bohrung ist<br />
und nur in einem Fall exakt den Durchmesser der Bohrung erreicht.<br />
Je nach Kombination der einzelnen Toleranzen lassen sich Teile leicht<br />
oder nur schwierig zusammenfügen. Es wird <strong>da</strong>bei nach Spiel-, Übergangs-<br />
und Presspassung unterschieden.<br />
Bei Spielpassungen ist die Bohrung immer größer als die Welle. Bei<br />
Übergangspassungen kann je nach Einzelfall die Welle größer oder kleiner<br />
als die Bohrung ausfallen. Ist die Welle immer größer als die Bohrung,<br />
so wird dies als Übermaß oder Presspassung bezeichnet.
Grundlagen<br />
Bohrung > Welle Bohrung ≈ Welle Bohrung < Welle<br />
Bild 39: Passungen<br />
Spielpassung Übergangspassung Preßpassung<br />
Beispiel<br />
Minos<br />
Da sich aus der Vielzahl von Toleranzen eine unüberschaubare<br />
Kombinationsvielfalt von Passungen ergibt, werden in der Praxis nur eine<br />
geringere Anzahl von bevorzugten Passungen verwendet. Diese können<br />
ebenfalls aus Tabellen entnommen werden.<br />
Spielpassungen sind:<br />
D10/h9 sehr weites Spiel, Anwendung bei L<strong>and</strong>maschinen<br />
F8/h6 merkliches Spiel, Kulissensteine in Führungen<br />
H7/h6 die Teile gleiten gerade noch, wenn sie von H<strong>and</strong> bewegt<br />
werden<br />
Eine Übergangspassung ist:<br />
H7/n6 Teile lassen sich mit geringem Kraftaufw<strong>and</strong> verschieben,<br />
wird bei Kolbenbolzen angewendet<br />
Presspassungen sind:<br />
H7/r6 Teile lassen sich mit größerem Kraftaufw<strong>and</strong> zusammenfügen,<br />
Verwendung bei Lagerbuchsen<br />
H8/u8 Fügen ist nur durch Dehnen oder Schrumpfen möglich<br />
115
116<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
3.6 Technische Zeichnungen und Computer<br />
3.6.1 CAD<br />
CAD ist die Abkürzung für Computer Aided Design, auf deutsch rechnerunterstützte<br />
Konstruktion. Durch die Entwicklung der Rechentechnik ist<br />
<strong>da</strong>s Erstellen von Zeichnungen mit Bleistift oder Tusche heute kaum noch<br />
üblich.<br />
Ein CAD-Arbeitsplatz besteht aus einem PC mit einem Bildschirm. Damit<br />
von der Zeichnung ein möglichst großer Teil gleichzeitig <strong>da</strong>rstellbar<br />
ist, sollte der Bildschirm möglichst groß sein.<br />
Neben den üblichen Dateneingabegeräten wie Tastatur und Maus sind<br />
auch Grafiktabletts anzutreffen. Auf diesen kann mit der Maus oder einem<br />
speziellen Stift gezeichnet werden.<br />
Die Speicherung der Daten erfolgt auf Festplatten. Viele Rechner sind<br />
vernetzt, so <strong>da</strong>ss die Erstellung von Sicherheitskopien auf speziellen<br />
Servern erfolgen kann.<br />
Die Ausgabe von Zeichnungen auf Papier erfolgt mit großformatigen<br />
Druckern oder Plottern. Änderungen dürfen jedoch auf den Papierzeichnungen<br />
nicht mehr erfolgen sondern werden nur im Computer durchgeführt.<br />
Das Erstellen von Zeichnungen wird durch den Einsatz von CAD-Programmen<br />
wesentlich erleichtert. Zum Einen lassen sich Punkte, Linien<br />
und Kurven sehr leicht mit wenigen Mausklicks erstellen. Auch unterschiedliche<br />
Krümmungen, für die früher der Einsatz von Schablonen erforderlich<br />
war, sind schnell erzeugt.<br />
Fertige Zeichnungen oder Teile <strong>da</strong>von lassen sich einfach vergrößern<br />
oder verkleinern, verschieben oder verdoppeln, drehen oder auch löschen.<br />
Versehentliche Arbeitsschritte lassen sich rückgängig machen,<br />
was auch <strong>da</strong>s Ausprobieren verschiedener Lösungen vereinfacht.<br />
Das Zeichnen von Normteilen ist durch den Einsatz vorgefertigter Bibliotheken<br />
sehr vereinfacht worden. Auch <strong>da</strong>s Schraffieren lässt sich automatisch<br />
durchführen. Beim Bemaßen werden die entsprechenden Maßzahlen<br />
vom Programm eingetragen. Firmeneigene Stan<strong>da</strong>rdteile oder<br />
Baugruppen lassen sich ebenfalls in Zeichnungen eintragen.<br />
Die Vorteile moderner CAD bestehen aber nicht nur im einfacheren Erstellen<br />
der Zeichnungen. Es ist oft bereits möglich, die Konstruktion in<br />
drei Dimensionen durchzuführen. Davon können einerseits wieder die<br />
zweidimensionalen Zeichnungen erstellt werden. Andererseits ist es<br />
möglich, mit den 3D-Modellen weitere Berechnungen anzustellen.
Grundlagen<br />
Minos<br />
So kann beispielsweise die Masse eines Teiles berechnet werden. Das<br />
Verhalten unter Belastung wird mit Berechnungen nach der Finite Elemente<br />
Methode durchgeführt. Im Automobilbau wird mit Computermodellen<br />
<strong>da</strong>s Verhalten im Falle eines Crashs überprüft.<br />
Aber auch einfach nur <strong>da</strong>s Betrachten von mehreren Seiten kann sehr<br />
hilfreich sein. So kann auch der Einfluss verschiedener Beleuchtungen<br />
ausprobiert werden. Das Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten<br />
kann in bewegten Computermodellen verfolgt werden.<br />
CAD-Programme mit 2D-Darstellung arbeiten vektororientiert. Dabei<br />
werden Anfangs- und Endpunkt einer Linie durch Punkte festgelegt. Die<br />
Berechnung der Linie zwischen den Endpunkten erfolgt durch <strong>da</strong>s Programm.<br />
Deshalb werden Linien auch bei sehr starker Vergrößerung immer<br />
noch als Linien <strong>da</strong>rgestellt.<br />
Im Gegensatz <strong>da</strong>zu stehen Bildbearbeitungsprogramme, die<br />
pixelorientiert arbeiten. Bei diesen wird bei starker Vergrößerung die<br />
Pixelstruktur eines Bildes sichtbar.<br />
CAD-Programme arbeiten mit verschiedenen Ebenen. Durch Ausblenden<br />
einzelner Ebenen werden auch komplexe Zeichnungen übersichtlicher.<br />
So können beispielsweise alle Bemaßungen auf einer gesonderten<br />
Ebene gezeichnet werden. Solange die Bemaßungen nicht erforderlich<br />
sind, brauchen sie auch nicht sichtbar in die Zeichnung eingeblendet<br />
zu werden.<br />
CAD-Programme mit 2 1/2 D werden vorwiegend im Architekturbereich<br />
eingesetzt. Flächen werden in isometrischer Darstellung gezeichnet. Es<br />
ergeben sich ähnliche Ergebnisse wie bei den 3D-Programmen, der<br />
Rechenaufw<strong>and</strong> ist jedoch wesentlich geringer.<br />
CAD-Programme mit 3D-Darstellung erzeugen räumliche Modelle. Im<br />
einfachsten Fall sind die Gitter- oder Drahtmodelle, die für weitere Berechnungen<br />
benötigt werden. Bei Flächenmodellen werden die Oberflächen<br />
der Modelle durch mathematische Berechnungen beschrieben,<br />
während bei Volumenmodellen auch festgelegt ist, was die Flächen begrenzen.<br />
Bei der rechnergestützten Fertigung, Computer Aided Manufacturing,<br />
abgekürzt CAM, werden zusätzliche Daten für die Fertigung zu den<br />
Zeichnungsunterlagen hinzugefügt. Diese Daten können direkt zur<br />
Fertigungsmaschine übertragen und von dieser verwendet werden.<br />
117
118<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
3.6.2 Numerisch gesteuerte Maschinen<br />
Bild 40: Koordinatensysteme<br />
Numerisch gesteuerte Maschinen werden als Maschinen mit NC-Steuerung<br />
bezeichnet. Die Abkürzung NC steht für Numerical Control und bedeutet,<br />
<strong>da</strong>ss alle Daten beispielsweise für Maße, Drehzahlen und Vorschübe<br />
in Form von Zahlen der Werkzeugmaschine vorgegeben werden.<br />
Die einzelnen Bewegungen der Maschine werden nach dem eingegebenen<br />
Programm selbstständig der Reihenfolge nach ausgeführt. Bei den<br />
inzwischen veralteten NC-Steuerungen war <strong>da</strong>s Programm <strong>da</strong>für noch<br />
auf Lochstreifen enthalten.<br />
Bei den modernen CNC-Steuerungen gibt es diese Lochstreifen nicht<br />
mehr. CNC bedeutet Computerized Numerical Control. Die notwendigen<br />
Daten werden an einem Display an der Maschine direkt eingegeben oder<br />
mit Hilfe eines Datenträgers in die Steuerung der Maschine geladen.<br />
Werkzeugmaschinen mit einer DNC-Steuerung sind mit weiteren Computern<br />
vernetzt. DNC bedeutet Distributed Numerical Control und weist<br />
<strong>da</strong>rauf hin, <strong>da</strong>ss die Rechner auch an verschiedene St<strong>and</strong>orte verteilt<br />
sein können.<br />
Da die Programme für die Steuerungen auf Grundlage der technischen<br />
Zeichnungen erstellt werden, sind einige Besonderheiten zu beachten.<br />
Koordinatensysteme<br />
Die Angabe von einzelnen Punkten auf dem Werkstück erfolgt durch<br />
Koordinaten. Es werden <strong>da</strong>bei zwei grundsätzliche Koordinatensysteme<br />
unterschieden.<br />
Polarkoordinaten Kartesische Koordinaten
Bild 41: Absolutbemaßung<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Bei beiden Koordinatensystemen gibt es einen Nullpunkt, von dem aus<br />
die Koordinaten eines Punktes angegeben werden. Die Koordinatensysteme<br />
unterscheiden sich <strong>da</strong>bei, wie der Abst<strong>and</strong> zu einem Punkt festgelegt<br />
ist.<br />
Beim Polarkoordinatensystem wird der Abst<strong>and</strong> zum Koordinaten-Nullpunkt<br />
angegeben und der Winkel, den diese Verbindungslinie mit der<br />
Achse bildet.<br />
Beim kartesischen oder auch rechtwinkligen Koordinatensystem wird<br />
<strong>da</strong>gegen der Abst<strong>and</strong> zu dem Nullpunkt durch die Abstände zu den beiden<br />
Achsen bestimmt.<br />
Der Nullpunkt sollte eine sinnvolle Beziehung zum Werkstück haben. Er<br />
ist also an eine Kante oder auf die Mittelachse einer Bohrung zu legen.<br />
Bei der Absolutbemaßung gehen alle Maße vom Nullpunkt der Koordinaten<br />
aus. Die Maßzahlen geben somit immer den Abst<strong>and</strong> zum<br />
Koordinatenursprung an.<br />
Für den Fall, <strong>da</strong>ss sich in einer Ansicht nur ein Koordinaten-Nullpunkt<br />
befindet, müssen die Maßlinien auch nicht bis zu diesem Nullpunkt gezeichnet<br />
werden.<br />
119
120<br />
Minos<br />
Grundlagen<br />
Bild 42: Steigende Maßeintragung<br />
Als steigende Bemaßung wird bezeichnet, wenn alle Maße außerhalb<br />
des Teiles gezeichnet werden können. Auch hier gehen alle Maße vom<br />
Nullpunkt aus. Die Bemaßung kann auf diese Weise sehr platzsparend<br />
durchgeführt werden. Die Zahlen werden <strong>da</strong>bei um 90° gedreht.<br />
Bei der Zuwachsbemaßung, die auch als Inkrementalbemaßung bezeichnet<br />
wird, ist immer der Endpunkt des vorangegangenen Maßes der Startpunkt<br />
des folgenden Maßes. Die Bemaßung erfolgt also von einem Maß<br />
zum nächsten in Form einer Maßkette.<br />
Kommen in einer Maßkette mehrere Abstände mit den gleichen Werten<br />
vor, so kann eine Vereinfachung erfolgen. Das Maß wird in diesem Fall<br />
nur einmal eingetragen und die Anzahl der Wiederholungen hinzugefügt.<br />
Innerhalb einer Zeichnung sollten jedoch möglichst immer die gleichen<br />
Bemaßungsarten verwendet werden. In bestimmten Fällen kann es aber<br />
doch sinnvoll sein, verschiedene Bemaßungssysteme zu verwenden.
Bild 43: Zuwachsbemaßung<br />
Grundlagen<br />
Minos<br />
Bei der Eintragung von Maßen ist es prinzipiell auch möglich, vonein<strong>and</strong>er<br />
unabhängige Maße auf verschiedene Koordinatensysteme zu beziehen.<br />
Durch die Maßpfeile wird erkennbar, auf welchen Nullpunkt sich<br />
die Maße beziehen.<br />
Allerdings erhöht sich der Aufw<strong>and</strong> für die Programmierung, wenn mehrere<br />
Koordinatensysteme verwendet werden. Deshalb sollte nach Möglichkeit<br />
in einer Zeichnung der Einsatz mehrerer Koordinatensysteme<br />
vermieden werden.<br />
121
122<br />
Minos<br />
Aufgabe<br />
Grundlagen<br />
Ist für <strong>da</strong>s Erstellen von vielen Bemaßungen nur wenig Platz vorh<strong>and</strong>en,<br />
so können auch Koordinatentabellen und Positionsnummern verwendet<br />
werden.<br />
Die Nummer einer Koordinate besteht aus zwei Zahlen, die durch einen<br />
Punkt vonein<strong>and</strong>er getrennt sind. Die erste Zahl bezeichnet die Nummer<br />
des Koordinatensystems, während die zweite Nummer eine fortlaufende<br />
Nummer für die einzelnen Punkte dieses Koordinatensystems ist. So<br />
bedeutet beispielsweise die Positionsnummer 2.4, <strong>da</strong>ss es sich um den<br />
vierten Koordinatenpunkt im zweiten Koordinatensystem h<strong>and</strong>elt.<br />
Diese Positionsnummern werden in Tabellen abgelegt. Die Achsen der<br />
Koordinaten werden mit großen Buchstaben bezeichnet, also A, B und c<br />
bei drei Koordinaten. Für den Fall, <strong>da</strong>ss mehrere Koordinatensysteme<br />
verwendet werden, folgt auf den Buchstaben eine Ziffer. Somit ergeben<br />
sich Bezeichnungen wie A1, B1, A2 und B2.<br />
Neben den Koordinaten der einzelnen Punkte werden in die Tabelle auch<br />
weitere Informationen wie Bohrungsdurchmesser, Gewinde usw. aufgenommen.<br />
Die Koordinatensysteme werden weiterhin in Haupt- und Nebensysteme<br />
unterschieden. Die Hauptsysteme sind unabhängig vonein<strong>and</strong>er und<br />
haben jeweils ihren eigenen Koordinatenursprung. Die Nebensysteme<br />
<strong>da</strong>gegen sind durch ein bestimmtes Maß mit dem Hauptsystem verbunden.<br />
Der Koordinatenursprung des Nebensystems muss deshalb vom<br />
Ursprung des Hauptsystems ausgehend bemaßt werden.<br />
Lösen Sie die Aufgabe 47 und 48 im Übungsbuch!
B1<br />
0<br />
Grundlagen<br />
0<br />
Bild 44: Koordinatentabelle<br />
1<br />
Koordinaten-<br />
Nullpunkt<br />
1.1<br />
1.2<br />
1.3<br />
1.5<br />
A1<br />
1.4<br />
2.1<br />
2.2<br />
B2<br />
Koordinatentabelle (Maße in mm)<br />
Pos.<br />
Nr.<br />
A B<br />
Bohrung<br />
Gewinde<br />
1 1.1 10 50 6<br />
1 1.2 10 40 6<br />
1 1.3 10 30 6<br />
1 1.4 20 25 6<br />
1 1.5 10 20 6<br />
2 2.1 -20 -25 M12<br />
2 2.2 -15 -45 10<br />
2<br />
A2<br />
Minos<br />
123
124<br />
Minos<br />
Grundlagen
<strong>Mechatronik</strong><br />
<strong>Modul</strong> 2: Sozialverhalten,<br />
(Teil1) Interkulturelle Kompetenzen<br />
Schülerh<strong>and</strong>buch<br />
(Konzept)<br />
Christian Stöhr<br />
Christian Stöhr Unternehmensberatung,<br />
Deutschl<strong>and</strong><br />
EU-Projekt Nr. 2005-146319 „MINOS“, Laufzeit von 2005 bis 2007<br />
Europäisches Konzept für die Zusatzqualifikation <strong>Mechatronik</strong> für<br />
Fachkräfte in der globalisierten industriellen Produktion.<br />
Das Projekt wurde gefördert von der<br />
Europäischen Union im Rahmen des<br />
Aktionsprogramms der Europäischen Union<br />
für die berufliche Bildung „<strong>Leonardo</strong> <strong>da</strong><br />
<strong>Vinci</strong>“.<br />
www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch
Projektpartner bei der Erarbeitung und Erprobung<br />
des Teachwarekonzepts<br />
• Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und<br />
Produktionsprozesse, Deutschl<strong>and</strong> – Projektleitung<br />
• Corvinus Universität Bu<strong>da</strong>pest, Institut für Informationstechnologien, Ungarn<br />
• Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Schweden<br />
• Technische Universität Wroclaw, Institut für Produktionstechnik und<br />
Automatisierung, Polen<br />
• Henschke Consulting Dresden, Deutschl<strong>and</strong><br />
• Christian Stöhr Unternehmensberatung, Deutschl<strong>and</strong><br />
• Neugebauer und Partner OHG Dresden , Deutschl<strong>and</strong><br />
• Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen<br />
• Euroregionale Industrie- und H<strong>and</strong>elskammer Jelenia Gora, Polen<br />
• Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Ungarn<br />
• Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Ungarn<br />
• Nationales Institut für berufliche Bildung Bu<strong>da</strong>pest, Ungarn<br />
Teachwearkonzept:<br />
• <strong>Modul</strong> 1: Grundlagen<br />
• <strong>Modul</strong> 2: Interkulturelle Kompetenzen, Projektmanagement<br />
• <strong>Modul</strong> 3: Fluidtechnik<br />
• <strong>Modul</strong> 4: Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
• <strong>Modul</strong> 5: Mechatronische Komponenten<br />
• <strong>Modul</strong> 6: Mechatronische Systeme und Funktionen<br />
• <strong>Modul</strong> 7: Inbetriebnahme, Sicherheit, Teleservice<br />
• <strong>Modul</strong> 8: Fernwartung, Diagnose<br />
Weitere Informationen:<br />
2<br />
Technische Universität Chemnitz<br />
Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse<br />
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Reimund Neugebauer<br />
Prof. Dr.-Ing. Dieter Weidlich<br />
Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz<br />
Tel.: +49(0)0371 531-23500<br />
Fax: +49(0)0371 531-23509<br />
Email: wzm@mb.tu-chemnitz.de<br />
Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch
Inhalt<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Minos<br />
1 Einleitung interkulturelles Training 5<br />
1.1 Einleitung 5<br />
1.2 Ziele des Seminars 5<br />
2 Was ist Kultur? 6<br />
2.1 Definitionen von Kultur 6<br />
2.2 Elemente der Kultur 6<br />
2.2.1 Elemente der Kultur - Materielle Kultur 7<br />
2.2.2 Elemente der Kultur - Soziale Institutionen 7<br />
2.2.3 Elemente der Kultur - Die Menschheit und <strong>da</strong>s Universum 8<br />
2.2.4 Elemente der Kultur - Ästhetik 8<br />
2.2.5 Elemente der Kultur - Sprache 9<br />
2.3 Das Eisberg-Modell der Kultur 9<br />
3 Grundlagen von Kultur 11<br />
3.1 Stereotypen und kulturelle Generalisierungen 11<br />
3.2 Generalisierung von Kultur - Geert Hofstede´s Kulturdimensionen 12<br />
3.2.1 Individualismusindex (IDV) 13<br />
3.2.2 Machtdifferenzindex (PDI) 15<br />
3.2.3 Unsicherheitsvermeidungsindex (UAI) 17<br />
3.2.4 Maskulinitätsindex (MAS) 19<br />
3.2.5 Langzeitorientierungsindex (LTO) 21<br />
3.3 Grenzen von Hofstede´s Modell 21<br />
3.4 Geert Hofstede´s Kulturdimensionenskala<br />
Länderübersicht 22<br />
4 Eigenschaften von Kultur 24<br />
4.1 Die Wahrnehmung von Zeit und Prioritäten 24<br />
4.1.1 Das monochrone Zeitkonzept 24<br />
4.1.2 Das polychrone Zeitkonzept 25<br />
4.2 Der Ursprung von Status 27<br />
4.2.1 Der erworbene Status 27<br />
4.2.2 Der zugeschriebene Status 28<br />
4.3 Direkte versus indirekte Kommunikation 29<br />
4.3.1 Die direkte Kommunikation / Kulturen mit niedrigem Kontext 30<br />
4.3.2 Die indirekte Kommunikation / Kulturen mit hohem Kontext 30<br />
5 Arbeiten im Ausl<strong>and</strong> 32<br />
5.1 Kulturellen Schock erfahren 32<br />
5.1.1 Der kulturelle Schock 32<br />
5.1.2 Methoden für den Umgang mit kulturellem Schock 32<br />
5.2 Der Prozess der kulturellen Anpassung 33<br />
5.3 Den Gebrauch des Selbst-Referenz-Kriteriums vermeiden 34<br />
5.4 Beobachtungen 34<br />
Referenzen 36<br />
3
4<br />
Minos<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
„…die größte Barriere für wirtschaftlichen Erfolg wird allein von Kultur<br />
errichtet."<br />
Edward T. Hall <strong>and</strong> Mildred Reed Hall<br />
„Kultur ist ein dünne, aber sehr wichtige Schicht mit der Sie sehr<br />
sorgsam umgehen müssen, <strong>da</strong>mit sie nicht zerkratzt. Menschen aus<br />
verschiedenen Kulturen sind im Grunde gleich und reagieren auf die<br />
gleiche Weise. Stellen Sie sicher, <strong>da</strong>ss Sie deren grundlegenden<br />
Gewohnheiten verstehen und zeigen Sie Interesse sowie die<br />
Bereitschaft, die Unterschiede zwischen ihren Kulturen zu verstehen.”<br />
Mike Wills
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
1 Einleitung interkulturelles Training<br />
1.1 Einleitung<br />
1.2 Ziele des Seminars<br />
Definition<br />
Minos<br />
Mit zunehmender Globalisierung verändert sich fun<strong>da</strong>mental die Art des<br />
Regierens, des Geschäftslebens, des Organisierens und der Nationen.<br />
Die Menschen agieren nicht länger innerhalb der Grenzen eines L<strong>and</strong>es,<br />
<strong>da</strong> sie ein Teil eines vonein<strong>and</strong>er abhängigen, internationalen Netzwerks<br />
geworden sind. Heute, mehr als je zuvor, verlangt wirtschaftlicher Erfolg<br />
interkulturelles Bewusstsein und die Fähigkeit zur interkulturellen<br />
Kommunikation.<br />
Kulturelles Bewusstsein gehört zu den wichtigsten Wissensgebieten, die<br />
sich im Ausl<strong>and</strong> tätige Unternehmen und Personen aneignen müssen,<br />
wenn sie Wachstum, Erfolg und Integration auf dem Markt anstreben.<br />
Mit Mitarbeitern oder Kunden aus <strong>and</strong>eren Kulturen zu arbeiten, sich zu<br />
treffen, Geschäfte zu tätigen, zu unterhalten, zu verh<strong>and</strong>eln oder zu<br />
korrespondieren kann ein Minenfeld sein. Ein falscher Satz oder ein<br />
Missverständnis kann monatelange Arbeit verzögern oder ruinieren.<br />
Letztendlich fördern <strong>da</strong>s Verständnis und die Wahrnehmung interkultureller<br />
Differenzen eine klarere Kommunikation, brechen Barrieren, schaffen<br />
Vertrauen, stärken Bindungen, öffnen Horizonte und führen zu konkreten<br />
Ergebnissen in Bezug auf Geschäfts- und Arbeitserfolge.<br />
Der Zweck des Seminars ist es, <strong>da</strong>s Potential der Teilnehmer in der<br />
globalen Arena zu maximieren und auf Arbeitsaufenthalte in <strong>and</strong>eren<br />
Ländern vorzubereiten. Das heißt, <strong>da</strong>ss die Teilnehmer im Seminar lernen<br />
und verstehen werden:<br />
- wie Kultur Weltanschauungen und <strong>da</strong>s Verhalten beeinflusst,<br />
- welche Probleme entstehen, wenn Menschen unterschiedlicher<br />
Kulturen mitein<strong>and</strong>er interagieren,<br />
- wie Kultur für den Auslan<strong>da</strong>ufenthalt analysiert und aufbereitet<br />
werden kann,<br />
- wie Missverständnisse und mögliche Konflikte beruflicher,<br />
interkultureller Kommunikation minimiert werden können,<br />
- wie man mit kulturellem Schock umgeht.<br />
Alles in allem, werden die Teilnehmer ihre interkulturelle Kompetenz<br />
verbessern.<br />
Interkulturelle Kompetenz ist die Fähigkeit, mit Menschen aus <strong>and</strong>eren<br />
Kulturen erfolgreich zu kommunizieren - im engeren Sinne die Fähigkeit<br />
zum beiderseitig zufriedenstellenden Umgang mit Menschen aus <strong>and</strong>eren<br />
Kulturen. Diese Fähigkeit kann schon in jungen Jahren vorh<strong>and</strong>en sein<br />
oder auch mit Hilfe bewusster und systematischer Anstrengungen<br />
entwickelt und verbessert werden. Die Grundlage für erfolgreiche,<br />
interkulturelle Kommunikation sind emotionale Kompetenz und<br />
interkulturelle Sensibilität.<br />
5
6<br />
Minos<br />
2 Was ist Kultur?<br />
2.1 Definitionen von Kultur<br />
Wichtig<br />
Definition<br />
Definition<br />
Definition<br />
Definition<br />
Wichtig<br />
2.2 Elemente der Kultur<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Es gibt nicht die Definition von Kultur!!!<br />
Kultur ist „die Software des Gehirns“. Sie ist, was uns programmiert, so<br />
zu denken, zu sprechen, zu agieren und zu fühlen, wie wir es tatsächlich<br />
tun. (Hofstede, 1989)<br />
Kultur ist eine erlernte, gemeinsame, zwingende, zu ein<strong>and</strong>er in Beziehung<br />
stehende Menge von Symbolen, deren Bedeutungen einen Satz von<br />
Orientierungen für die Mitglieder einer Gesellschaft bereitstellen.<br />
Zusammengenommen bieten diese Orientierungen mögliche Lösungen<br />
für Probleme, mit denen sich alle Gesellschaften ausein<strong>and</strong>ersetzen<br />
müssen, um existenzfähig zu bleiben. (Terpstra und David, 1985)<br />
Kultur ist eine Menge von Anschauungen oder Stan<strong>da</strong>rds, die von einer<br />
Gruppe von Menschen geteilt werden und die dem Einzelnen helfen,<br />
Entscheidungen <strong>da</strong>rüber zu treffen, was ist, was sein kann, was man<br />
fühlt, was zu tun ist und wie etwas getan wird. (Goodenough, 1996)<br />
Kultur ist die Konfiguration von erlernten Verhaltensweisen und <strong>da</strong>rauf<br />
basierenden Ergebnissen, deren einzelne Elemente von den Mitgliedern<br />
einer bestimmten Gesellschaft geteilt und übertragen werden. (Linton,<br />
1945)<br />
Diese Definitionen teilen einige gemeinsame Inhalte. Sie verstehen Kultur<br />
als ein System von Verhaltensweisen und Gewohnheiten, die von einer<br />
Generation zur Nächsten weitergegeben werden. Gemeinsam geteilte<br />
Regeln, Sprachen, Religionen, Familienstrukturen, Reaktionen und<br />
Erziehung bieten Vorhersagbarkeit und Sicherheit im täglichen Leben einer<br />
Gruppe von Leuten. Werden Menschen gleicher Überzeugungen und<br />
H<strong>and</strong>lungsweisen zusammengeführt, so verstehen sie ein<strong>and</strong>er und die<br />
Welt um sie herum ergibt Sinn.<br />
Im Rahmen dieses Seminars hat Kultur zwei Aspekte, der man sich<br />
besonders bewusst sein muss:<br />
1. Kultur ist erlernt!<br />
2. Kultur ist verinnerlicht und vergessen - in dem Sinne, <strong>da</strong>ss uns nicht<br />
bewusst ist, <strong>da</strong>ss sie aus gelernten Verhaltensweisen besteht!<br />
Obwohl jede Definition unterschiedliche Aspekte von Kultur betont,<br />
beinhalten Sie dennoch wichtige, allgemeine, gemeinsam geteilte<br />
Elemente, die in Ihrer Ausprägung von Kultur zu Kultur variieren können:<br />
1. Materielle Kultur<br />
2. Soziale Institutionen<br />
3. Die Menschheit und <strong>da</strong>s Universum<br />
4. Ästhetik<br />
5. Sprache
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
2.2.1 Elemente der Kultur - Materielle Kultur<br />
Definition<br />
Beispiel<br />
Beispiel<br />
Materielle Kultur besteht aus zwei Komponenten:<br />
2.2.2 Elemente der Kultur - Soziale Institutionen<br />
Definition<br />
1. dem Grad der technologischen Fähigkeiten einer Kultur und<br />
Minos<br />
2. ihrer Wirtschaftlichkeit oder wie die Menschen ihre Fähigkeiten und<br />
Errungenschaften nutzen.<br />
Es gibt bestimmte Dinge, die Menschen aus einem L<strong>and</strong> mit einem hohen<br />
technischen Stan<strong>da</strong>rd als selbstverständlich ansehen, die in Ländern mit<br />
einem niedrigen Technologielevel nicht vorkommen. In solchen Ländern<br />
sind die Leute nicht unbedingt mit Konzepten wie z. B. präventiven<br />
Wartungsmassnahmen vertraut.<br />
Die Wirtschaftlichkeit eines L<strong>and</strong>es kann auf die Art der vor Ort<br />
existierenden Waren Einfluß nehmen. Manchmal sind bestimmte Güter<br />
nicht erhältlich, weil sich die Leute sie nicht leisten oder einfach nicht mit<br />
ihnen umgehen können.<br />
Rudolf, ein deutscher Mechaniker in Rumänien, war froh einen Laden<br />
gefunden zu haben, in dem es vier Kopiergeräte gab. Das Geschäft hatte<br />
geöffnet, aber zu seinem Pech waren alle Geräte außer Betrieb. „Wie ist<br />
<strong>da</strong>s möglich?“ fragte er. „Vier Kopierer und alle sind defekt! Was ist denn<br />
mit Euch los?“ fügte er hinzu, als er den Laden verließ. Rudolf war bestürzt,<br />
weil die Wartungsmassnahmen, die er aus Deutschl<strong>and</strong> kennt, in diesem<br />
L<strong>and</strong> nicht existierten.<br />
Die Art und Weise, wie Menschen mitein<strong>and</strong>er interagieren, variiert von<br />
Kultur zu Kultur und von L<strong>and</strong> zu L<strong>and</strong>. Bildung, die soziale Organisation<br />
und politische Strukturen spielen bei Interaktionen eine nicht zu<br />
unterschätzende Rolle.<br />
Die soziale Organisation beeinflusst die Rolle von Individuen, ihren Status<br />
und die Wichtigkeit und Struktur von Familien. Frauen haben in<br />
unterschiedlichen Ländern unterschiedliche Rollen und Rechte.<br />
Der Grad und die Qualität von Bildung variieren ebenso zwischen Kulturen.<br />
Einige Länder bieten eine billige oder sogar kostenlose primäre , sekundäre<br />
und tertiäre Ausbildung an. In <strong>and</strong>eren ist eine gute Ausbildung sehr teuer<br />
und folglich hängt der Grad und die Qualität der Bildung einer Person<br />
stark vom Reichtum und dem Status der Eltern ab.<br />
In einigen Ländern ist es absolut normal für einen Mann, weibliche<br />
Vorgesetzte zu haben und man findet einen viel größeren Prozentsatz an<br />
Frauen in Führungspositionen als in <strong>and</strong>eren Ländern, wo sich Männer<br />
mit einer Frau als Chef mit höherer Wahrscheinlichkeit sehr unwohl fühlen.<br />
Darüber hinaus ist die Facharbeiterausbildung in einigen Ländern, wie<br />
Deutschl<strong>and</strong>, traditionell von hoher Qualität und hat einen hohen Status<br />
erlangt, während in <strong>and</strong>eren eine universitäte Ausbildung mehr oder<br />
weniger obligatorisch ist, um einen solchen Status zu erreichen.<br />
7
8<br />
Minos<br />
Beispiel<br />
2.2.4 Elemente der Kultur - Ästhetik<br />
Definition<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
2.2.3 Elemente der Kultur - Die Menschheit und <strong>da</strong>s Universum<br />
Definition Unter diese Kategorie fallen Religionen ebenso wie Glaubenssysteme,<br />
Werte und Aberglaube.<br />
Beispiel<br />
Religiöse Einstellungen und manchmal sogar Aberglaube können so stark<br />
ausgeprägt sein, <strong>da</strong>ss sie einen grossen Einfluß auf die Wahrnehmungen<br />
und H<strong>and</strong>lungen von Menschen nehmen. Während Religionen in manchen<br />
Ländern die Gleichheit aller Menschen fördern, unterstützen sie in <strong>and</strong>eren<br />
eher die Ungleichheit. In solchen Ländern können sich der Status und die<br />
Rolle einer Person in der Gesellschaft <strong>da</strong>rüber definieren, wo er geboren<br />
ist etc. Religionen spielen eine wichtige Rolle bei der Begründung und<br />
Bestärkung von Weltanschauungen. Die Religion einer Person kann<br />
bestimmen, welche Mahlzeiten erlaubt sind (z.B. kein Schwein, kein Rind,<br />
ausschließlich koscheres Essen) oder wie er sich kleidet (Frauen sind<br />
verpflichtet ihren Kopf zu bedecken, Männer müssen Bärte tragen). Diese<br />
Aspekte sind in einigen Religionen auffallender als in <strong>and</strong>eren (Islam,<br />
Orthodoxe Juden).<br />
Anderen Anschauungen können eine genauso wichtige Rolle spielen wie<br />
die Werte der Menschen. Wie verstehen sie Zeit? Wie anpassungsfähig<br />
sind sie an Veränderungen? Es ist wichtig, <strong>da</strong>ss jem<strong>and</strong>, der in ein fremdes<br />
L<strong>and</strong> geht, versteht, wie diese Sachen <strong>da</strong>s Verhalten des Anderen<br />
beeinflussen und <strong>da</strong>sselbe sollte für sein Verhalten gelten.<br />
Thomas ist Katholik. Er lebt in einer großen Stadt und jeden Sonntag geht<br />
er zum Gottesdienst. Er wirft sich niemals „in Schale“, <strong>da</strong> in seiner Kirche<br />
auf Kleidung nicht viel Wert gelegt wird. Bei einem Aufenthalt in einem<br />
<strong>and</strong>eren L<strong>and</strong> wird Thomas von Freunden eingeladen, der Messe<br />
beizuwohnen. Er verabredet sich mit seinen Freunden an der Kirche. Da<br />
es in diesem L<strong>and</strong> sehr warm ist und er niemals irgendjem<strong>and</strong>en<br />
besonders fein gekleidet gesehen hat, entscheidet er sich, seine guten,<br />
kurzen Hosen und ein Hemd zu tragen. Wie auch immer, er schafft es<br />
nicht in die Kirche zu kommen, denn als ihn seine Freunde in kurzen<br />
Hosen sehen, schicken sie ihn weg. Es wäre nicht angemessen, die<br />
Kirche derart gekleidet zu besuchen.<br />
Diese Kategorie umfasst die Künste, Folkore, Musik, Schauspiel sowie<br />
die verbreiteten Tänze einer Kultur, die natürlich stark variieren können.<br />
Es ist hilfreich, diese sich mit diesen Dingen zu beschäftigen, <strong>da</strong> man<br />
durch sie wertvolle Einsichten erhalten kann.<br />
Durch die Kunst beispielsweise kann man erkennen, wie sich Schönheit<br />
in einer Kultur definiert. Durch <strong>da</strong>s Theater kann man etwas über die<br />
Lebenseinstellung und die Dinge erfahren, die als wichtig erachtet werden.<br />
Und Folklore kann oft heutige Traditionen erklären.
2.2.5 Elemente der Kultur - Sprache<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Minos<br />
Definition Die Sprache ist die primäre Form der Kommunikation. Eine neue Sprache<br />
zu erlernen, heißt nicht nur zu studieren, wie man bestimmte Terme von<br />
einer Sprache in eine <strong>and</strong>ere übersetzt. Jede Sprache besitzt ihre eigenen<br />
„Assoziationen“ und leichten Variationen innerhalb bestimmter<br />
Bedeutungen, die in der Muttersprache in dieser Form nicht vorkommen.<br />
Nicht zu wissen, wie man diese nutzt, um sich auszudrücken, kann zu<br />
viel Frustration und Unzufriedenheit führen.<br />
Beispiel Das Wort „gay“ kann im amerikanischen Englisch meinen, <strong>da</strong>ss jem<strong>and</strong><br />
homosexuell ist aber ebenso, <strong>da</strong>ss er glücklich ist. Deswegen wird <strong>da</strong>s<br />
Wort selten im letzteren Sinne verwendet. Weiterhin findet man im<br />
Portugiesischen eine außergewöhnlich hohe Zahl an Schimpfwörtern und<br />
die Portugiesen zeigen eine hohe Bereitschaft, sie auch zu verwenden.<br />
Im Schwedischen, auf der <strong>and</strong>eren Seite, findet man viel weniger solcher<br />
„schmutzigen Wörter“ und die Kommunikation ist im Allgemeinen<br />
wesentlich höflicher.<br />
2.3 Das Eisberg-Modell der Kultur<br />
Kultur kann man mit einem Eisberg vergleichen. Ein Eisberg besteht aus<br />
einem kleinen sichtbaren Teil über der Wasseroberfläche und einem nicht<br />
sichtbaren Teil unterhalb der Wasseroberfläche. Genauso ist es mit der<br />
Kultur; einige Aspekte sind leicht wahrnehmbar, es existiert jedoch noch<br />
ein <strong>and</strong>erer, wesentlich größerer Teil, der für <strong>da</strong>s Auge verborgen ist.<br />
Nichtsdestoweniger stehen der sichtbare und der unsichtbare Teil in<br />
Beziehung zu ein<strong>and</strong>er. Die sichtbaren Aspekte oder Eigenschaften einer<br />
Kultur, die sich im Verhalten von Menschen zeigen, werden durch die<br />
unsichtbaren beeinflusst, z. B. durch Werte, Einstellungen, Ge<strong>da</strong>nken,<br />
Gefühle und Glaubenseinstellungen.<br />
Während einer interkulturellen Interaktion interpretieren Personen oft <strong>da</strong>s<br />
Verhalten der Anderen mit ihren eigenen Kategorien - ihren Einstellungen<br />
und ihren Werten. Die Folge ist, <strong>da</strong>ss <strong>da</strong>s Verhalten der Anderen<br />
befremdlich erscheint. Dabei <strong>da</strong>rf man aber nicht vergessen, <strong>da</strong>ss dieses<br />
Verhalten des Anderen für ihn sehr wahrscheinlich sinnvoll ist, ganz einfach<br />
weil es mit seinen Werten und Einstellungen übereinstimmt. Wenn wir<br />
also sagen, <strong>da</strong>ss <strong>da</strong>s Verhalten von jem<strong>and</strong>en „keinen Sinn macht“,<br />
meinen wir in Wahrheit, <strong>da</strong>ss dieses Verhalten dem widerspricht, was<br />
wir glauben, was diese Person glaubt und denkt.<br />
Um zu verstehen, woher eine bestimmte Verhaltensweise kommt und<br />
warum Personen sich so verhalten, wie sie es tun, muss man etwas<br />
über ihre Werte und Einstellungen lernen.<br />
9
10<br />
Minos<br />
Abbildung 1: Eisbergmodell der Kultur<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Nicht sichtbare Teile von Kultur<br />
Sichtbare Teile von Kultur<br />
(Erwartungen, Einstellungen, Werte,<br />
Normen, Bräuche)<br />
(wahrnehmbares Verhalten, Sprache, Aussehen)<br />
Beispiel Rudolf aus Deutschl<strong>and</strong> und Gaia aus Italien haben sich um 19.00 Uhr<br />
verabredet. Er erscheint genau zur verabredeten Zeit an der Stelle, wo<br />
sie ein<strong>and</strong>er treffen wollten, aber Gaia ist nicht <strong>da</strong>. Sie kommt eine gute<br />
Stunde später. Rudolf wertet ihr Verhalten als Mangel an Respekt oder<br />
als Unzuverlässigkeit, weil er ihr Verhalten mit seinen Werten und<br />
Überzeugungen interpretiert. Doch tatsächlich haben die Menschen aus<br />
Italien ein <strong>and</strong>eres Verständnis von Zeit und Gaia hat nur nach ihren<br />
Werten, Überzeugungen und Gewohnheiten geh<strong>and</strong>elt.
3 Grundlagen von Kultur<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
3.1 Stereotypen und kulturelle Generalisierungen<br />
Definition<br />
Definition<br />
Beispiel<br />
Wichtig<br />
Definition<br />
Definition<br />
Minos<br />
Kulturelle Stereotypen und Generalisierungen sind zwei Konzepte <strong>da</strong>rüber,<br />
wie man über <strong>and</strong>ere Menschen denken kann. Obwohl sie ein<strong>and</strong>er ähnlich<br />
erscheinen, gibt es entscheidende Unterschiede, die für die interkulturelle<br />
Kommunikation von außerordentlicher Relevanz sind.<br />
Ein kultureller Stereotyp ist die Anwendung eine vorher behaupteten<br />
Verallgemeinerung auf alle Personen in einer kulturellen Gruppe oder <strong>da</strong>s<br />
Generalisieren auf Grundlage nur weniger Menschen einer Gruppe. Ein<br />
Stereotyp ist eine rigide Generalisierung, manchmal als „<strong>da</strong>s Verhärten<br />
von Kategorien“ bezeichnet. (Bennett, 1998)<br />
Kulturelle Generalisierung ist die Tendenz einer Mehrheit von Menschen<br />
einer kulturellen Gruppe, gewisse Werte und Überzeugungen zu haben<br />
und nach bestimmten Verhaltensmustern zu agieren. Es ist eine<br />
Hypothese, die auf Erfahrungen über vorherrschende Verhaltensweisen<br />
oder zentrale Neigungen einer Gruppe von Personen basiert. (Bennett,<br />
1998)<br />
Stereotypen :<br />
Engländer mögen Fisch und<br />
Pommes.<br />
Die Franzosen essen viel Käse.<br />
Deutsche sind immer pünktlich.<br />
Generalisierungen :<br />
Viele Engländer mögen Fisch und<br />
Pommes.<br />
Viele Franzosen essen viel Käse.<br />
Deutsche tendieren <strong>da</strong>zu, pünktlich<br />
zu sein.<br />
Obwohl wir Verallgemeinerungen benötigen, um einen Zugang zu <strong>and</strong>eren<br />
Kulturen zu erhalten, ist es problematisch zu stereotypisieren - es gibt<br />
immer viele verschiedene Auffassungen, <strong>and</strong>ere Verhaltensweisen und<br />
Überzeugungen. Kulturelle Generalisierung heisst immer, <strong>da</strong>ss eine<br />
erhöhte Wahrscheinlichkeit besteht, <strong>da</strong>ss manche Menschen einer Kultur<br />
auf eine bestimmte Weise agieren oder denken, aber niemals alle.<br />
Niem<strong>and</strong> repräsentiert die Gesamtheit der Eigenschaften, die einem<br />
speziellen L<strong>and</strong> zugeschrieben werden! Es gibt immer Subgruppen und<br />
Subkulturen (z.B. basierend auf Geschlecht, Alter, ethnischen und<br />
beruflichen Gruppierungen), in denen kulturelle Charakteristika nicht denen<br />
der Mehrheit der Gesellschaft entsprechen.<br />
Es gibt einige weitere Konzepte, die in diesem Zusammenhang von<br />
besonderer Bedeutung sind:<br />
Ethnozentrismus ist die Idee, <strong>da</strong>ss <strong>da</strong>s, was die Kultur einer Person<br />
repräsentiert, den natürlichen und besten Weg <strong>da</strong>rstellt, Dinge zu tun.<br />
Der kulturelle Relativismus behauptet, <strong>da</strong>ss Kulturen nicht aus einer<br />
einzigen oder absoluten, ethischen oder moralischen Perspekive beurteilt<br />
oder bewertet werden können. Bewertungen sind relativ zu dem<br />
Hintergrund, aus dem sie entstammen. Die Werte, Ethik oder Moral einer<br />
Kultur können niemals ganzheitlich als übergeordnet oder untergeordnet<br />
im Vergleich zu einer Anderen gesehen werden.<br />
11
12<br />
Minos<br />
Definition<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Kultureller Pluralismus ist ein Kontext, in dem mehr als eine Kultur in<br />
einer bestimmten Gesellschaft existiert. Kultureller Pluralismus ist die<br />
soziale und politische Interaktion von Menschen mit verschiedenen<br />
Lebens- und Denkweisen. Idealerweise impliziert dies die Ablehnung von<br />
Fanatismus, Voreingenommenheit und Rassismus und begünstigt den<br />
Respekt vor den kulturellen Traditionen <strong>and</strong>erer Leute.<br />
3.2 Generalisierung von Kultur - Geert Hofstede´s Kulturdimensionen<br />
Wie die bisherigen Abschnitte zeigten, ist Kultur ein komplexes Phänomen<br />
mit zahlreichen Aspekten und Facetten. Da ein Ausl<strong>and</strong>saufenthalt eine<br />
Vorbereitung auf die Anpassung an eine Kultur nötig macht, braucht man<br />
einen einfacheren Weg, um über Kultur zu reflektieren. Einen Weg, der<br />
Aspekte von höherer Bedeutung beinhaltet und auf <strong>and</strong>ere, weniger<br />
wichtige, verzichet. Diese Herangehensweise heisst, <strong>da</strong>ss man ein Modell<br />
von Kultur entwickelt, <strong>da</strong>ss vereinfachte aber nichtsdestoweniger<br />
brauchbare Informationen über eine Kultur bereitstellt.<br />
Ein sehr populäres Modell wurde von Geert Hofstede entwickelt. Basierend<br />
auf einer der größten jemals durchgeführten empirischen Studien über<br />
kulturelle Unterschiede, befragte er in zahlreichen Ländern Leute nach<br />
ihren Überzeugungen und Werten. Aus den Resultaten schaffte er es,<br />
die Komplexität von Kultur auf 5 fun<strong>da</strong>mentale Kulturdimensionen zu<br />
reduzieren:<br />
1. Individualismus<br />
2. Machtdifferenz<br />
3. Unsicherheitsvermeidung<br />
4. Maskulinität<br />
5. Langzeitorientierung<br />
Laut Hofstede unterscheiden sich Kulturen am meisten durch die Art wie<br />
sie zu diesen fünf Konzepten stehen und auf sie reagieren. Zunächst<br />
mag <strong>da</strong>s etwas seltsam erscheinen. Wie kann es sein, <strong>da</strong>ss man mit<br />
nur fünf Dimensionen eine bestimmte Kultur beschreiben kann? Der Grund<br />
ist, <strong>da</strong>ss sie so fun<strong>da</strong>mental sind. Sie sind oftmals die Quelle eines weiten<br />
Spektrums konkreter Werte, Überzeugungen und Einstellungen und oft<br />
kann man die Verhaltensweisen der Leute auf eine dieser Dimensionen<br />
zurückgeführen (oder eine Kombination aus ihnen).<br />
Da sich diese Dimensionen häufig als die grundlegenden Elemente<br />
kultureller Unterschiede herausstellen, sind sie ein sehr hilfreiches<br />
Instrument, um Konflikte zwischen Individuen oder Gruppen<br />
verschiederner kultureller Herkunft zu verstehen. Als ersten Ansatz bieten<br />
sie eine Struktur für die Analyse von Kulturen, die als Vorbereitung auf<br />
einen Ausl<strong>and</strong>saufenthalt genutzt werden kann.<br />
In aller Kürze bedeuten die Dimensionen:<br />
Individualismus:<br />
Das Ausmaß, in dem Menschen glauben, <strong>da</strong>ss sie sich um <strong>and</strong>ere<br />
kümmern sollten und sie selbst, ihre Familien oder die Organisationen,<br />
zu denen sie gehören, sich um sie kümmern sollten.
3.2.1 Individualismusindex (IDV)<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Minos<br />
Definition Individualismus betrachtet <strong>da</strong>s Ausmaß,mit dem Personen es<br />
bevorzugen, mehr als Individuum denn als Gruppenmitglied zu agieren.<br />
Wird der Schwerpunkt auf die Rechte von Individuen oder von Gruppen<br />
gelegt? Neigen die Menschen <strong>da</strong>zu, nur auf sich und ihre eigene Familie<br />
zu achten oder gibt es einen sozialen Rahmen, in dem Menschen<br />
zwischen Wir- und Fremdgruppen unterscheiden und <strong>da</strong>bei erwarten,<br />
<strong>da</strong>ss ihre Wir-Gruppe ein Auge auf sie hat?<br />
Beispiel<br />
Machtdifferenz:<br />
Der Grad an Ungleichheit zwischen den Menschen, den die Bevölkerung<br />
eines L<strong>and</strong>es als normal erachtet.<br />
Unsicherheitsvermeidung:<br />
Das Ausmaß, in dem Menschen eines L<strong>and</strong>es strukurierte, vorhersehbare<br />
Situationen gegenüber unstrukturierten bevorzugen.<br />
Maskulinität:<br />
Das Ausmaß, mit dem eine Kultur fördernd auf Dominanz,<br />
Selbstbewusstsein und die Anhäufung von matieriellen Besitzümern<br />
einwirkt. Dem steht eine Kultur gegenüber, die mehr die Menschen,<br />
Gefühle und Lebensqualität herausstellt.<br />
Langzeitorientierung:<br />
Langzeit-Werte sind zukunftsorientiert, z.B. Sparen und Dauerhaftigkeit.<br />
Kurzzeit-Werte <strong>da</strong>gegen orientieren sich mehr auf die Vergangenheit und<br />
die Gegenwart, so z. B. der Respekt gegenüber Traditionen und die<br />
Erfüllung sozialer Verpflichtungen.<br />
Plant man in einem <strong>and</strong>eren L<strong>and</strong> zu arbeiten, so ist ein Blick auf die<br />
Punktwerte des betreffenden L<strong>and</strong>es in den Kulturdimensionen hilfreich,<br />
um erste Informationen <strong>da</strong>rüber zu erhalten, was man bei Interaktionen<br />
mit Menschen dieses L<strong>and</strong>es wahrscheinlich zu erwarten hat.<br />
In den folgenden Abschnitten werden die einzelnen Dimensionen genauer<br />
erklärt und <strong>da</strong>s Buch wird auf einige Phänomene Bezug nehmen, die<br />
durch die Dimensionen erklärt werden können. Das Buch bietet<br />
<strong>da</strong>rüberinaus einige Ratschläge, die be<strong>da</strong>cht werden sollten, wenn man<br />
in einem L<strong>and</strong> arbeitet, <strong>da</strong>s einen <strong>and</strong>eren Punktwert in einer Dimension<br />
hat als <strong>da</strong>s Eigene.<br />
Menschen aus Kulturen mit einem hohen Wert in der Individualismusdimension,<br />
tendieren <strong>da</strong>zu, in „Ich“- Kategorien zu denken. Sie fokussieren<br />
ihre Interessen auf die individuellen, persönlichen Ziele und die<br />
angestrebten Erfolge. Die Beziehungen zu Anderen sind oft relativ lose.<br />
In diesen Ländern werden Privatsphäre und Freiheit betont und Leute<br />
aus diesen Kulturen finden es ganz natürlich, <strong>da</strong>ss sie sich<br />
selbstverwirklichen und ihre einzigartigen Qualitäten entdecken.<br />
Individualismus findet man zum Beispiel in den USA, Australien,<br />
Großbritannien, den Niederl<strong>and</strong>en, Kana<strong>da</strong>, Deutschl<strong>and</strong> und Italien.<br />
13
14<br />
Minos<br />
Beispiel<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Abbildung 2: Verteilung des Individualismusindex<br />
Kollektivistische Gesellschaften fallen auf <strong>da</strong>s <strong>and</strong>ere Ende dieser<br />
Dimension. Menschen aus diesen Ländern denken mehr in „Wir“-<br />
Kategorien und <strong>da</strong>s Interesse der Gemeinschaft ist von äußerster<br />
Wichtigkeit. In kollektivistischen Kulturen fühlen sich die Menschen in einer<br />
Gruppe wohler und möchten mit <strong>and</strong>eren in Verbindung stehen. Zur Familie<br />
besteht ein starker Bezug mit viel Verantwortung. Die Menschen tendieren<br />
<strong>da</strong>zu, sich als Mitglieder verschiedener Gruppen zu sehen. Konformität<br />
wird erwartet und geschätzt.<br />
Kollekivismus findet man in vielen sü<strong>da</strong>merikanischen Ländern und<br />
ebenso in China, Bulgarien und Rumänien.<br />
Anmerkungen mit Bezug auf die Arbeit in Ländern mit einem<br />
<strong>and</strong>eren IDV:<br />
Für Länder mit einem hohen IDV gilt:<br />
- Als Person wird von einem erwartet, selbstständig und mit Eigeninitative<br />
zu arbeiten. Für Unterstützung sollte man sich nicht auf die Gruppe<br />
verlassen.<br />
- Der Kommunikationsstil ist oft vergleichsweise direkt und<br />
aufgabenorientiert.<br />
- Das Geschäftsumfeld ist mehr oder weniger von Beziehungen und<br />
persönlichen Kontakten abhängig. Das Geschäfts- und Privatleben<br />
kann sehr gut getrennt werden.<br />
- Angestellte oder Personen in niedrigeren Positionen erwarten häufiger<br />
Chancen, an Projekten zu arbeiten oder Aufgaben selbstständig zu<br />
lösen. Sich zu sehr in ihre Arbeit einzumischen, kann negativ<br />
interpretiert werden.<br />
- Es ist für die Menschen nicht ungewöhnlich, sich anzustrengen und<br />
aufzufallen. Das kann beispielsweise bei Meetings, Präsentationen<br />
oder innerhalb einer Gruppenarbeit sein.<br />
- Man sollte verstehen, <strong>da</strong>ss eine gewisses Ausmaß an Individualität<br />
toleriert wird, z. B. in Hinblick auf <strong>da</strong>s äußere Erscheinungsbild,<br />
bestimmte Verhaltensweisen usw.
3.2.2 Machtdifferenzindex (PDI)<br />
Definition<br />
Beispiel<br />
Beispiel<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Für Länder mit einem niedrigen IDV gilt:<br />
Minos<br />
- Die Menschen haben oft einen starken Familiensinn, der manchmal<br />
über die Arbeit gestellt wird.<br />
- Die Kommunikation erfolgt häufiger indirekt. Mit Konflikten wird sehr<br />
vorsichtig umgegangen.<br />
- Ein Lob sollte stets an <strong>da</strong>s Team und nicht an den Einzelnen<br />
gerichtet sein, <strong>da</strong> es diesen peinlich berühren könnte.<br />
- Beförderungen beruhen auf Dienstalter und Erfahrung - weniger auf<br />
Leistung und Erfolgen.<br />
- Die Entscheidungsfindung kann ein sehr langwieriger Prozess sein,<br />
<strong>da</strong> viele Leute in der Hierarchie konsultiert werden müssen.<br />
Machtdifferenz umfasst Hierarchie und die Stellung von Individuen<br />
innerhalb der Gesellschaft. Sie bezieht sich auf <strong>da</strong>s Ausmaß an<br />
Ungleichheit, <strong>da</strong>s in einem L<strong>and</strong> von den Menschen akzeptiert wird. Ist<br />
jeder gleich oder werden Machtunterschiede als natürlich gegeben<br />
angesehen? In Bezug auf <strong>da</strong>s Arbeitsleben könnte man fragen, wie der<br />
Entscheidungsfindungsprozess in einem Unternehmen für gewöhnlich<br />
abläuft. Sollte jeder eine gleichberechtigte Stimme haben oder ist eine<br />
höher gestellte Person befugt, Entscheidungen allein zu treffen?<br />
Hat ein L<strong>and</strong> einen hohen Wert, wird Macht als ein selbstverständlicher<br />
Teil der Gesellschaft anerkannt und die Position eines Individuums hat<br />
weniger mit ihren Fähigkeiten zu tun. Die Leute haben kein wirkliches<br />
Problem mit grossen Unterschieden in Dingen wie Klassen,<br />
Einkommenshöhe oder Machtverteilung. Oft fördern Religionen die<br />
Ungleichheit und Macht steht oft über dem Gesetz. Behörden tendieren<br />
<strong>da</strong>zu, ihren Status offen zu demonstrieren.<br />
Beispiele sind viele arabische, lateinamerikanische und afrikanische<br />
Länder, sowie Russl<strong>and</strong>, Slovenien und Rumänien. Ebenso zeigen Polen,<br />
Frankreich und Belgien einen vergleichsweise hohen Wert.<br />
Länder mit geringer Machtdistanz finden große Unterschiede in diesen<br />
Bereichen im Allgemeinen inakkzeptabel oder unerwünscht. Macht ist<br />
nichts natürlich gegebenes sondern muss praktische Gründe aufweisen.<br />
Ansonsten tendieren die Leute zu der Meinung, <strong>da</strong>ss alle die gleichen<br />
Rechte haben sollten und <strong>da</strong>ss die Stellung eines Individuums in der<br />
Gesellschaft viel mehr in Zusammenhang zu dessen Fähigkeiten und<br />
Kompetenzen stehen sollte.<br />
Die Werte für Machtdifferenz sind niedrig in Ländern wie der USA,<br />
Australien, Deutschl<strong>and</strong>, Großbritannien sowie den sk<strong>and</strong>inavischen<br />
Staaten.<br />
15
16<br />
Minos<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Abbildung 3: Verteilung des Machtdifferenzindexes<br />
Anmerkungen mit Bezug auf die Arbeit in Ländern mit einem<br />
<strong>and</strong>eren PDI:<br />
Für Länder mit einem hohen PDI gilt:<br />
- Vorgesetzte sollten mit Respekt beh<strong>and</strong>elt werden und man sollte<br />
ihnen nicht zu oft widersprechen.<br />
- Die Beziehung zu Angestellten sollte eher distanziert sein und<br />
Vorgesetzte sollten gegenüber ihren Angestellten eher autoritär<br />
auftreten. Nicht jede Entscheidung sollte diskutiert werden.<br />
- Instruktionen für Leute, mit denen man zusammenarbeitet, sollten<br />
präzise und explizit sein.<br />
- Fristen sollten gesetzt und betont werden.<br />
- Von Untergebenen wird nicht erwartet, <strong>da</strong>ss sie die Initiative<br />
ergreifen.<br />
- Man sollte sich auf mehr Bürokratie einstellen.<br />
Für Länder mit einem geringen PDI gilt:<br />
- Vorgesetzte werden mit weniger Respekt und Ehrerbietung<br />
beh<strong>and</strong>elt, als dies in Ländern mit einem hohen PDI typisch ist.<br />
- Das Protokoll und Etikette sind weniger wichtig und die Leute<br />
möchten sich auf formlosere Art kennenlernen.<br />
- Die Beziehung zu Untergebenen sollte enger sein.<br />
- Andere sollten in den Prozess der Entscheidungsfindung involviert<br />
werden.<br />
- Urteile über Menschen auf Grundlage des äußeren Erscheinungsbildes,<br />
des Benehmens, Privilegien oder Statussymbolen sollten<br />
vermieden werden.
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
3.2.3 Unsicherheitsvermeidungsindex (UAI)<br />
Definition<br />
Beispiel<br />
Beispiel<br />
Minos<br />
Unsicherheitsvermeidung ist <strong>da</strong>s Ausmaß, mit dem Menschen einer<br />
bestimmten Kultur strukturierte Situationen mit klaren Regeln, Gesetzen<br />
und Vorschriften, gegenüber unstrukturierten vorziehen. Unsicherheitsvermeidung<br />
bezieht sich z.B. auf <strong>da</strong>s Ausmaß an Risikobereitschaft der<br />
Menschen oder bis zu welcher Detailtiefe die Mitglieder eines<br />
Planungsteams bei der Vorbereitung eines Seminars gern gehen würden.<br />
Sie umfasst auch, wieviel Raum für W<strong>and</strong>el und Improvisation vorh<strong>and</strong>en<br />
ist und ob die Dinge einfach ihren Weg gehen (und <strong>da</strong>nn vielleicht besser<br />
oder schlechter als erwartet werden).<br />
In Ländern mit einem hohen Unsicherheitsvermeidungsindex wird<br />
Unsicherheit als etwas negatives betrachtet. Dinge, die <strong>and</strong>ers sind,<br />
werden als gefährlich eingestuft. Die Leute in solchen Gesellschaften<br />
fühlen sich von unklaren Situationen bedroht und versuchen, sie durch<br />
viele Regeln, Vorschriften oder <strong>and</strong>ere Sicherheitsmaßnahmen zu<br />
vermeiden. Die Menschen tendieren <strong>da</strong>zu Struktur, Präzision und<br />
Formalisierung zu bevorzugen.<br />
Diese Länder sind oft sehr homogen und gegenüber W<strong>and</strong>el und<br />
Innovation eher verschlossen.<br />
Ein hohes Maß an Unsicherheitsvermeidung findet man in<br />
lateinamerikanischen Ländern, Russl<strong>and</strong>, Japan, Griechenl<strong>and</strong>, Portugal<br />
und in den deutschsprachigen Ländern.<br />
Ist der Indexwert gering, wird Unsicherheit als etwas normales und<br />
natürliches betrachtet. Man wird wahrscheinlich auf Leute treffen, die die<br />
Dinge gelassen angehen und weniger rigide sind. Sie tendieren <strong>da</strong>zu,<br />
risikobereiter und offener für W<strong>and</strong>el und Innovationen zu sein. In der<br />
Regel ist <strong>da</strong>s Maß an Vorschriften wesentlich geringer. Zudem sind diese<br />
Länder zumeist vergleichsweise jung und zeichnen sich durch eine höhere<br />
Diversität auf Grund von Einw<strong>and</strong>erungswellen aus.<br />
Länder mit niedrigem Unsicherheitsvermeidungsindex sind z.B. die USA<br />
und Großbritannien, Dänemark, Schweden sowie China und Singapur.<br />
17
18<br />
Minos<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Abbildung 4: Verteilung des Unsicherheitsindex<br />
Anmerkungen mit Bezug auf die Arbeit in Ländern mit einem<br />
<strong>and</strong>eren UAI:<br />
Für Länder mit einem hohen UAI gilt:<br />
- Versucht man neue Ideen, innovative Arbeitsweisen oder Methoden<br />
einzubringen, wird <strong>da</strong>s Zeit kosten. Für solche Vorhaben werden Sie<br />
wahrscheinlich viel Aufw<strong>and</strong> und Geduld benötigen, bevor die neuen<br />
Vorschläge letztlich von den Leuten angenommen werden.<br />
- Man sollte sich <strong>da</strong>rauf einstellen, mit einem sehr bürokratischen<br />
System zu tun zu haben.<br />
- Wenn möglich, sollten Einheimische in Projekte innvolviert werden,<br />
um ihnen zu ermöglichen, ein gewisses Verständnis zu entwickeln<br />
und den Grad an Unwissenheit zu senken.<br />
- Instruktionen, Vorschläge, Präsentationen und Antworten auf Fragen<br />
sollten sehr präzise sein und Zuständigkeiten klar definiert werden.<br />
- Aussagen sollten mit harten Fakten und Statistiken untermauert<br />
werden.<br />
Für Länder mit einem niedrigen UAI gilt:<br />
- Man sollte Flexibilität und Offenheit gegenüber neuen Ideen und<br />
Innovationen zeigen.<br />
- Man sollte <strong>da</strong>rauf vorbereitet sein, beschlossene Vereinbarungen<br />
schnell umzusetzen, <strong>da</strong> erwartet werden wird, <strong>da</strong>ss sie so bald wie<br />
möglich realisiert werden.<br />
- Angestellte sollten eigenständig sein und Freiräume zum Ausführen<br />
von Aufgaben haben, bei denen ihnen Mittel und Wege offen stehen.
3.2.4 Maskulinitätsindex (MAS)<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Minos<br />
Definition Maskulinität und Femininität sollten nicht als die biologischen Kategorien<br />
„männlich“ und „weiblich“ missverst<strong>and</strong>en werden. Stattdessen beziehen<br />
sie sich auf soziale Rollen und Kategorien, die Personen in einer<br />
Gesellschaft inne haben. Bestimmte Werte werden als „männlich“<br />
angesehen, z.B. Durchsetzungsvermögen, Erfolg, <strong>da</strong>s Streben nach<br />
Reichtum und Leistungsorientierung. Andere sind „weiblich“, wie<br />
Soli<strong>da</strong>rität, Beziehungen und Lebensqualität. Das Ausmaß, in dem die<br />
„mänlichen“ Werte über die „weiblichen“ gestellt werden, definiert den<br />
Wert eines L<strong>and</strong>es im Maskulinitätsindex.<br />
Beispiel<br />
Beispiel<br />
Abbildung 5: Verteilung des Maskulinitätsindex<br />
In Ländern, in denen die Priorität auf dem maskulinen Leben liegt, werden<br />
Leistung, Wettbewerb, Vermögen und Wachstum hoch geschätzt. Man<br />
lebt, um zu arbeiten. Männer und Frauen haben in der Gesellschaft<br />
verschiedene, wohldefinierte Rollen und Konflikte werden oft auf eine eher<br />
agressive Weise ausgetragen.<br />
Europäische Länder, wie die Slovakei, Deutschl<strong>and</strong>, Österreich, Ungarn<br />
und die Schweiz zeigen einen hohen Maskulinitätswert ebenso wie Japan.<br />
In femininen Ländern (mit einem niedrigen Wert) wird viel mehr Wert auf<br />
Familie, Beziehungen und die Lebensqualität gelegt. Man arbeitet um zu<br />
leben. Männer und Frauen werden als gleichberechtigt angesehen.<br />
Konflikte werden weniger hart ausgetragen und sollten durch<br />
Verh<strong>and</strong>lungen gelöst werden.<br />
Die sk<strong>and</strong>inavischen Länder, die Niederl<strong>and</strong>e und Spanien zeigen einen<br />
niedrigen Wert in diesem Index.<br />
19
20<br />
Minos<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Anmerkungen mit Bezug auf die Arbeit in Ländern mit einen<br />
<strong>and</strong>eren MAS:<br />
Für Länder mit einem hohen MAS gilt:<br />
- Von Angestellten werden wahrscheinlich Opfer in Form von<br />
Überstunden, verkürztem Urlaub und mehr Dienstreisen erwartet<br />
werden.<br />
- Das Geschäftliche wird überall präsent sein, auch bei geselligen<br />
Anlässen.<br />
- Persönliche Belange sollten nicht in Geschäftssituationen<br />
angesprochen werden.<br />
- Die Leute sind nicht immer an der Entstehung enger Freunschaften<br />
interessiert.<br />
- In diesem Umfeld ist die wirkungsvollste Art der Kommunikation<br />
direkt, knapp, präzise und emotionslos.<br />
- Die Menschen werden zur Beurteilung <strong>and</strong>erer eher die berufliche<br />
Stellung als die Familie oder Kontakte heranziehen.<br />
- Eigenwerbung ist ein akzeptierter Teil der Wirtschaftskultur in dieser<br />
konkurrenzbetonten Umgebung.<br />
Für Länder mit einem niedrigen MAS gilt:<br />
- Die Leute schätzen ihre Freizeit, priorisieren die Familie und<br />
nehmen länger Urlaub.<br />
- Überstunden sind nicht die Regel.<br />
- Smalltalk in geselligen (oder geschäftlichen) Unterhaltungen wird<br />
mehr auf <strong>da</strong>s Leben der Leute und Interessen als auf rein<br />
Geschäftliches gerichtet sein.<br />
- Persönliche Fragen gelten als normal und weniger aufdringlich.<br />
- In Geschäftsverh<strong>and</strong>lungen zählt Vertrauen mehr als der erhoffte<br />
Gewinn usw.<br />
- Vetternwirtschaft wird eher akzeptiert und als positiv erachtet. Die<br />
Menschen zeigen offen ihre Bevorzugung enger Beziehungen.
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
3.2.5 Langzeitorientierungsindex (LTO)<br />
Definition<br />
Beispiel<br />
Beispiel<br />
3.3 Grenzen von Hofstede´s Modell<br />
Minos<br />
Diese Dimension ist von Hofstede nicht systematisch entwickelt worden.<br />
Sie ist im Wesentlichen <strong>da</strong>s Resultat einer zweiten, chinesischen Studie<br />
und umfasst nicht alle Länder der Originalbefragung. Darüber hinaus<br />
betont sie eher solche Aspekte, die für einen Vergleich der östlichen mit<br />
der westlichen Welt relevant sind, weniger jedoch innerhalb des<br />
europäischen Kontextes. Deshalb wird sie in diesem Zusammenhang<br />
nicht so eingehend beh<strong>and</strong>elt, wie die <strong>and</strong>eren.<br />
Die Zeitorientierung bezieht sich auf <strong>da</strong>s Ausmaß, in dem die<br />
Entscheidungen einer Gesellschaft auf Tradition, Ereignisse der<br />
Vergangenheit oder auf kurzfristigen Zielen beruhen bzw. was als<br />
erstrebenswert für die Zukunft erachtet wird.<br />
Eine hohe Langzeitorientierung weist <strong>da</strong>rauf hin, <strong>da</strong>ss sich ein L<strong>and</strong><br />
langfristigen Verpflichtungen und dem Respekt vor Traditionen verschreibt.<br />
Typischerweise sind die Menschen aus<strong>da</strong>uernd, sparsam und haben<br />
Schamgefühl. Sie ordnen Beziehungen nach Status und beachten diese<br />
Ordnung.<br />
Japan, China und Indien sind Beispiele für diese Kategorien.<br />
Ein niedriger Wert bedeutet, <strong>da</strong>ss ein L<strong>and</strong> sich weniger auf <strong>da</strong>s Konzept<br />
einer langfristigen, traditionellen Orientierung stützt. In solchen Kulturen<br />
können Veränderungen rascher geschehen, <strong>da</strong> Tradtionen und langfristige<br />
Verpflichtungen kein Hindernis für W<strong>and</strong>el <strong>da</strong>rstellen.<br />
Beispiele <strong>da</strong>für sind die USA, Westafrika und Großbritannien.<br />
Hofstede´s Modell wurde für seine empirische Grundlage gewürdigt. Kaum<br />
eine <strong>and</strong>ere Studie oder Theorie der Kultur kann eine ähnliche quantitative<br />
Basis vorweisen. Auf der <strong>and</strong>eren Seite gibt <strong>da</strong>s Modell keine Erklärung<br />
<strong>da</strong>für, warum es nur fünf Dimensionen geben sollte - oder warum gerade<br />
diese Dimensionen die grundlegenden Komponenten von Kultur bilden<br />
sollten. Des Weiteren berücksichtigt <strong>da</strong>s Model nicht den kulturellen<br />
W<strong>and</strong>el. Es impliziert, Kultur sei eher statisch als dynamisch; warum<br />
und wie Kulturen sich entwickeln, kann durch <strong>da</strong>s Modell nicht erklärt<br />
werden. Außerdem wurde Hofstede <strong>da</strong>für kritisiert, <strong>da</strong>ss er seinen Blick<br />
nur auf Kultur als eine Eigenschaft eines L<strong>and</strong>es fokussiert und kein Auge<br />
für die kulturelle Vielfalt aufgrund von generationsbedingten, ethnischen,<br />
regionalen oder <strong>and</strong>eren Subgruppen hat. Die Beschreibung der<br />
Dimensionen birgt auch zum Teil die Gefahr, einige Kulturen implizit als<br />
„höherwertig“ gegenüber <strong>and</strong>eren einzuschätzen. Dennoch kann <strong>da</strong>s<br />
Modell als hilfreiches Instrument für die Vorbereitung auf einen<br />
Ausl<strong>and</strong>saufenthalt verwendet werden. Aus diesem Grund werden die<br />
Werte auf Hofstede`s Kulturdimensionenskala auf den nächsten Seiten<br />
<strong>da</strong>rgestellt und bieten ein nützliches Instrument, um sich <strong>da</strong>rüber zu<br />
informieren, was ein Arbeiter in einem fremden L<strong>and</strong> zu erwarten hat.<br />
Nichtsdestotrotz sollte man die oben genannten Grenzen des Modells<br />
beachten.<br />
21
22<br />
Minos<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
3.4 Geert Hofstede´s Kulturdimensionenskala Länderübersicht<br />
PDI ... Machtdifferenzindex<br />
IDV ... Individualismusindex<br />
MAS ... Maskulinitätsindex<br />
UAI ... Unsicherheitsvermeidungsindex<br />
LTO ... Langzeitorientierungsindex<br />
L<strong>and</strong> PDI IDV MAS UAI LTO<br />
Arabische Welt 80 38 52 68<br />
Argentinien 49 46 56 86<br />
Australien 36 90 61 51 31<br />
Belgien 65 75 54 94<br />
Brazilien 69 38 49 76 65<br />
Chile 63 23 28 86<br />
China 80 20 66 30 118<br />
Costa Rica 35 15 21 86<br />
Dänemark 18 74 16 23<br />
Deutschl<strong>and</strong> 35 67 66 65 31<br />
Ecuador 78 8 63 67<br />
El Salvador 66 19 40 94<br />
Finnl<strong>and</strong> 33 63 26 59<br />
Frankreich 68 71 43 86<br />
Griechenl<strong>and</strong><br />
Großbritanien<br />
60 35 57 112<br />
und Nordirl<strong>and</strong> 35 89 66 35 25<br />
Guatemala 95 6 37 101<br />
Hong Kong 68 25 57 29 96<br />
Indien 77 48 56 40 61<br />
Indonesien 78 14 46 48<br />
Iran 58 41 43 59<br />
Irl<strong>and</strong> 28 70 68 35<br />
Israel 13 54 47 81<br />
Italien 50 76 70 75<br />
Jamaika 45 39 68 13<br />
Japan 54 46 95 92 80<br />
Kana<strong>da</strong> 39 80 52 48 23<br />
Kolumbien 67 13 64 80<br />
Malaysia 104 26 50 36<br />
Mexico 81 30 69 82<br />
Niederl<strong>and</strong>e 38 80 14 53 44<br />
Neuseel<strong>and</strong> 22 79 58 49 30<br />
Norwegen 31 69 8 50 20<br />
Pakistan 55 14 50 70 0<br />
Panama 95 11 44 86<br />
Peru 64 16 42 87<br />
Philippinen 94 32 64 44 19<br />
Polen 68 60 64 93<br />
Portugal 63 27 31 104
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Geert Hofstede kulturelle Dimensionen Fortsetzung<br />
Minos<br />
L<strong>and</strong> PDI IDV MAS UAI LTO<br />
Ostafrika 64 27 41 52 25<br />
Österreich 11 55 79 70<br />
Schweden 31 71 5 29 33<br />
Schweiz 34 68 70 58<br />
Singapur 74 20 48 8 48<br />
Spanien 57 51 42 86<br />
Sü<strong>da</strong>frika 49 65 63 49<br />
Südkorea 60 18 39 85 75<br />
Taiwan 58 17 45 69 87<br />
Thail<strong>and</strong> 64 20 34 64 56<br />
Tschechische<br />
Republik 35 58 45 74<br />
Türkei 66 37 45 85<br />
Ungarn 46 80 88 82<br />
Uruguay 61 36 38 100<br />
USA 40 91 62 46 29<br />
Venezuela 81 12 73 76<br />
Westafrika 77 20 46 54 16<br />
23
24<br />
Minos<br />
4 Eigenschaften von Kultur<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
4.1 Die Wahrnehmung von Zeit und Prioritäten<br />
4.1.1 Das monochrone Zeitkonzept<br />
Definition<br />
Nach der Darstellung von Hofstede´s allgemeinen Ansatz wird sich <strong>da</strong>s<br />
vierte Kapitel mit konkreten Eigenschaften von Kultur befassen, von denen<br />
angenommen werden kann, <strong>da</strong>ss sie <strong>da</strong>s Verhalten im Arbeitsumfeld<br />
beeinflussen. Deshalb sollten sie berücksichtigt werden, wenn man sich<br />
in einem neuen L<strong>and</strong> bewegt.<br />
Wichtig Es ist wichtig zu beachten, <strong>da</strong>ss jede der im Folgenden aufgeführten<br />
Dimensionen ein Kontinuum mit Tendenzen zur der einen oder <strong>and</strong>eren<br />
Richtung <strong>da</strong>rstellt - und nicht nur eine Dichotomie. Die verschiedenen<br />
Eigenschaften, welche die Dimensionen charakterisieren, mögen <strong>da</strong>her<br />
nicht durchgehend konsistent sein. Zusammen genommen tendieren sie<br />
aber gegen den einen oder <strong>and</strong>eren Pol des Kontinuums.<br />
Das Modell polychroner und monochroner Kulturen wurde von E. T. Hall<br />
eingeführt. Auf den ersten Blick scheint Zeit ein sehr einfaches Konzept<br />
zu sein. Nichtdestotrotz haben alle Kulturen ein einzigartiges Verständnis<br />
von Zeit und der Art, sie zu h<strong>and</strong>haben. Einige Kulturen neigen <strong>da</strong>zu, Zeit<br />
zu verehren und als greifbare und knappe Ressource zu beh<strong>and</strong>eln. In<br />
<strong>and</strong>eren Ländern ist Zeit eher flexibel und es wird eher akzeptiert bzw. als<br />
normal angesehen, zu spät zu einer Verabredung zu kommen oder <strong>da</strong>ss<br />
man erst nach längerer Zeit zum Geschäftlichen übergeht.<br />
Kulturell begründete Unterschiede zwischen Zeitkonzepten können in<br />
monochrone (sequenzielle) oder polychrone (synchrone) eingeteilt<br />
werden, je nach dem, wie Zeit innerhalb einer Kultur strukturiert wird.<br />
Im Allgemeinen kann man <strong>da</strong>s persönliche Zeitverständnis als ein<br />
Kontinuum ansehen - mit dem monochonen Verständnis als den einen<br />
Pol und dem polychronen Zeitkonzept als den <strong>and</strong>eren. Die beiden Pole<br />
werden im Folgenden erläutert:<br />
Monochrone Zeiteinteilung heisst, eine Sache zu einer Zeit zu erledigen,<br />
wobei eine H<strong>and</strong>lung der einer <strong>and</strong>eren folgt und die verschiedenen<br />
Aufgaben eine ihnen zugeschriebene Zeit haben. Zeit wird als gegeben<br />
angesehen und die Variablen sind die Personen. Die Bedürfnisse der<br />
Menschen werden nach der Vorgabe von Zeit ausgerichtet - Termine,<br />
Fristen etc.. Zeit ist quantifizierbar und nur in begrenzter Menge vorh<strong>and</strong>en.<br />
Die Leute machen eine Sache zu einer Zeit und ungeachtet der Umstände<br />
beenden sie diese erst, bevor sie eine neue beginnen.<br />
Für monochrone Kulturen ist Zeit sehr konkret und anfassbar. Über sie<br />
wird wie eine Ressource gesprochen: Zeit aufwenden, Zeit verschwenden<br />
und Zeit sparen. Zeit ist linear, sie erstreckt sich wie eine Linie von der<br />
Vergangenheit über die Gegenwart bis hin zur Zukunft. Sie wird als ein<br />
Werkzeug zur Strukturierung des Tages verwendet und um Prioritäten<br />
festzusetzen. Beispielsweise „hat man keine Zeit“, um jem<strong>and</strong>en zu treffen.
4.1.2 Das polychrone Zeitkonzept<br />
Definition<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Menschen mit einem monochronen Zeitkonzept tendieren <strong>da</strong>zu:<br />
Minos<br />
- eine Sache zu einer Zeit zu erledigen<br />
- sich auf die Arbeit zu konzentrieren<br />
- Zusagen (Fristen, Termine) ernst zu nehmen<br />
- wenig Kontext zu haben und somit viele Informationen zu benötigen<br />
- an ihre Arbeit gebunden zu sein<br />
- sich äußerst gewissenhaft an Pläne zu halten<br />
- <strong>da</strong>rum besorgt zu sein, <strong>and</strong>ere nicht zu stören; den Regeln der<br />
Privatsphäre und Rücksicht zu folgen<br />
- großen Respekt gegenüber privatem Besitz zu zeigen; selten etwas<br />
zu verborgen und zu verleihen<br />
- Wert auf Schnelligkeit zu legen<br />
- an kurzzeitige Beziehungen gewöhnt zu sein<br />
Beispiel Typische Länder, in denen die Menschen zumeist monochrone<br />
Zeitkonzepte haben, sind Deutschl<strong>and</strong>, die USA, die Schweiz, Schweden,<br />
Norwegen und Dänemark.<br />
Die polychrone Zeiteinteilung bezeichnet <strong>da</strong>s Gegenteil: viele Aufgaben<br />
werden zur gleichen Zeit erledigt und die Menschen fühlen sich viel mehr<br />
mitein<strong>and</strong>er verbunden, was der Beziehung zu den Mitmenschen eine<br />
weit größere Bedeutung gegenüber der Einhaltung von Fristen<br />
zukommen lässt. Zeit wird als Diener und Werkzeug der Menschen<br />
angesehen und auf die Anliegen der Menschen angepasst. Mehr Zeit ist<br />
immer verfügbar und man ist nie zu beschäftigt. Die Leute haben oft - je<br />
nach den Umständen - mehrere Dinge gleichzeitig zu erledigen. Es ist<br />
weder nötig, etwas zu beenden, bevor man etwas Neues beginnt, noch<br />
eine Sache mit der einen Person zum Abschluss zu bringen, bevor man<br />
sich auf jem<strong>and</strong>en <strong>and</strong>eres einlässt.<br />
Polychrone Zeit wird nicht so sehr als Ressource begriffen und kann eher<br />
mit einem Punkt als mit einer Linie verglichen werden.<br />
Menschen mit einem polychronen Zeitkonzept tendieren <strong>da</strong>zu:<br />
- viele Dinge auf einmal zu erledigen,<br />
- leicht ablenkbar zu sein und <strong>and</strong>ere zu unterbrechen,<br />
- Zeitliche Zusagen als Richtwert zu betrachten, der - wenn möglich -<br />
eingehalten werden sollte,<br />
- einen hohen Kontext und bereits viele Informationen zu haben,<br />
- sich gegenüber Menschen und zwischenmenschlichen<br />
Beziehungen verpflichtet zu fühlen,<br />
- Pläne einfach und oft zu verändern,<br />
- mehr die Menschen, die einem sehr nahe stehen (Familie, Freunde,<br />
engen Geschäftspartnern) zu berücksichtigen als Privatsphäre,<br />
- oft und leicht Dinge zu borgen und zu verleihen,<br />
- <strong>da</strong>s Tempo von Erledigungen von der Beziehung abhängig zu<br />
machen,<br />
- lebenslang an<strong>da</strong>uernde Beziehungen aufzubauen.<br />
25
26<br />
Minos<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Beispiel Polychrone Zeitkonzepte findet man vor allem in Asien, Arabien sowie<br />
sü<strong>da</strong>merikanischen und südeuropäischen Ländern inklusive<br />
Frankreich.<br />
Wichtig<br />
Anmerkungen mit Bezug auf die Arbeit in Ländern, die ein<br />
<strong>and</strong>eres Zeitkonzept haben:<br />
„Es ist unmöglich zu wissen, wieviele Millionen Dollar im internationalen<br />
Geschäft verloren gegangen sind, weil monochrone und polychrone<br />
Menschen ein<strong>and</strong>er nicht verstehen oder zumindest erkennen, <strong>da</strong>ss zwei<br />
derart verschiedene Zeitsysteme existieren.“ (E.T. Hall und M. Hall, 1990).<br />
Existieren zwischen Mitgliedern verschiedener Kulturen unterschiedliche<br />
Auffassungen von Zeit, werden <strong>da</strong>durch unterschiedliche Bewertungen<br />
und Gefühle ausgelöst, die zu Missverständnissen führen können.<br />
Für Länder mit einem monochronen Zeitkonzept gilt:<br />
- Die H<strong>and</strong>habung von Verabredungen, Agen<strong>da</strong>s, Zeitplanungen,<br />
Entscheidungsfindungen, Vorbereitungszeiten etc. erfolgt<br />
gewöhnlich sehr präzise, z. B. sollten zeitliche Zusagen eingehalten<br />
und Meetings einige Zeit im Voraus geplant werden. Pünktlichkeit ist<br />
wichtig,<br />
- Beziehungen werden öfter auf Grund von praktischen,<br />
zukunftsorientierten Kriterien bewertet - Beziehungen, die für<br />
zukünftige Geschäftsziele nutzlos erscheinen, können sogar<br />
beendet werden,<br />
- Beförderungen basieren zumeist auf den Leistungen der jüngeren<br />
Vergangenheit und den wahrscheinlichen Erfolgen in der nahen<br />
Zukunft,<br />
- Oftmals findet man auch unterschiedliche Auffassungen von Zeit<br />
innerhalb der verschiedenen Abteilungen eines Unternehmens.<br />
Leute im Rechnungswesen und im IT-Bereich denken oft<br />
monochron und gegenwartsorientiert. Diese Menschen haben meist<br />
Probleme mit den Herausforderungen, die mit abteilungsübergreifenden<br />
Teams verbunden sind.<br />
Für Länder mit einem polychronen Zeitkonzept gilt:<br />
- Die H<strong>and</strong>habung von Verabredungen, Agen<strong>da</strong>s, Zeitplanungen,<br />
Entscheidungsfindungen, Vorbereitungszeiten etc. erfolgt im<br />
Allgemeinen weniger präzise in Bezug auf die Festlegung von<br />
Terminen, Fristen, Pünktlichkeit oder wie weit im Voraus Meetings<br />
geplant werden sollten,<br />
- Die Menschen tendieren <strong>da</strong>zu, gruppenorientierter zu sein. Sie<br />
sehen Beziehungen als langfristige und tiefe Verbindungen, die<br />
Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft umspannen. Sie suchen<br />
nach Geschäftsbeziehungen, die diese Orientierung aufweisen,<br />
- Arbeitnehmer tendieren <strong>da</strong>zu, Langzeitarbeitsverhältnisse zu<br />
bevorzugen. Beförderungen basieren eher auf subjektiven Kriterien<br />
im Zusammenhang mit dem Netzwerk an Beziehungen einer<br />
Person,
Beispiel<br />
4.2 Der Ursprung von Status<br />
4.2.1 Der erworbene Status<br />
Definition<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Minos<br />
- Oftmals findet man auch innerhalb eines Unternehmens<br />
unterschiedliche Auffassungen von Zeit. Menschen aus dem<br />
Marketingbereich oder der Werbung denken oft polychron, was auf<br />
ihre polychron-orientierte Funktion zurückzuführen ist. Sie sind<br />
zumeist besser in der Lage, sich in ein Team zu integrieren, <strong>da</strong>s mit<br />
Personen aus verschiedenen Abteilungen besetzt ist, <strong>da</strong> sie besser<br />
in der Lage sind, mit mehreren Dingen gleichzeitig umzugehen.<br />
Die Aussage: „12.00“ kann exakt 12 Uhr meinen, aber ebenso 12.30 Uhr<br />
oder sogar später. Dasselbe gilt für Fristen.<br />
Die Quelle des Status bezieht sich auf die Art und Weise, wie Personen<br />
ihre Rolle oder ihren Status in einem L<strong>and</strong> oder einer Organisation<br />
erlangen; ebenso auf die mit einem bestimmten Status verbundenen<br />
Verpflichtungen und Verantwortlichkeiten.<br />
Dieses Konzept steht mit einigen Eigenschaften des Machtdifferenzindexes<br />
und des Individualismusindexes von Hofstede in Zusammenhang.<br />
Nichtsdestotrotz gibt es einige Aspekte, die von diesen zwei Dimensionen<br />
nicht erfasst werden. Deshalb wird der Ursprung des Status hier in einem<br />
seperaten Kapitel beh<strong>and</strong>elt.<br />
Status existiert in allen Gesellschaften, aber die Art, wie er<br />
wahrgenommen, erlangt und auf ihn reagiert wird, variiert von Kultur zu<br />
Kultur. Die zwei Pole werden oft als erworbener Status und<br />
zugeschriebrner Status bezeichnet. Andere Autoren beziehen sich auf<br />
„h<strong>and</strong>lungsorientierte“ und „seinsorientierte“ Kulturen (Kluckhohn und<br />
Strodtbeck, 1961).<br />
In Kulturen mit erworbenen Status - was den „h<strong>and</strong>lungsorientierten“<br />
Kulturen entspricht - wird Status verdient und ist weniger vom (Dienst-)<br />
Alter abhängig. Innerbetriebliche Qualitäten, die zu Erfolgen beigetragen<br />
haben, zählen mehr als externe und die Menschen werden aufgrund ihrer<br />
persönlichen, vor allem aber ihrer beruflichen Fähigkeiten und<br />
Arbeitsleistungen respektiert und geschätzt. In Positionen mit Macht und<br />
Einfluss zu gelangen, wird durch harte Arbeit und Mitwirkung im<br />
Unternehmen oder einer Gemeinschaft möglich. Die Menschen werden<br />
eher aufgrund von wahrnehmbaren Erfolgen eingestellt und weniger auf<br />
der Basis persönlicher oder familärer Verbindungen bzw. der<br />
Renomiertheit der Ausbildung.<br />
Des Weiteren ist Status nichts automatisches und kann wieder verloren<br />
werden, wenn man aufhört, etwas zust<strong>and</strong>e zu bringen. Beispielsweise<br />
könnte er auf <strong>and</strong>ere Personen übergehen. Jeder verdient sich seinen<br />
eigenen Status und je nach den Umständen kann er sich sehr schnell<br />
verändern.<br />
27
28<br />
Minos<br />
4.2.2 Der zugeschriebene Status<br />
Definition<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
In diesen Ländern ist es üblicher, <strong>da</strong>ss sich Personen mit einem höheren<br />
Status nicht als überlegen oder besser im Vergleich zu Leuten mit<br />
niedrigerem Status aufführen. Titel bedeuten nicht sehr viel und es ist<br />
nicht besonders verbreitet, über Status zu reden, ihn hervorzuheben oder<br />
ihm sonst irgendeiner Weise viel Aufmerksamkeit zu widmen.<br />
Zu solchen Ländern zählen zum Beispiel die USA, die sk<strong>and</strong>inavischen<br />
Länder, Großbritannien und Irl<strong>and</strong>.<br />
In Kulturen mit zugeschriebenen Status - oder auch „seinsorientierten“<br />
Kulturen - basiert Status auf außerbetrieblichen Qualitäten, wie z.B. der<br />
sozialen Klasse, dem Grad der Ausbildung, dem Beruf, dem Alter, dem<br />
Vermögen, der Erziehung oder dem Geschlecht. Entspricht jem<strong>and</strong> den<br />
richtigen externen Charakteristika, wird ihm der Status automatisch<br />
zugeschrieben und ist <strong>da</strong>nn schwer zu verlieren.<br />
Die Menschen sind sich ihres Status sehr bewußt und sollten keine<br />
Verhaltensweisen an den Tag legen, die über oder unter dem liegen, was<br />
von Leuten dieses St<strong>and</strong>s erwartet wird. Titel sind sehr wichtig und sollten<br />
stets verwendet werden. Es existieren vergleichsweise wenig<br />
Möglichkeiten, um Status anh<strong>and</strong> von Leistung und Erfolgen zu erlangen.<br />
Beispiel Zugeschriebenen Status findet man z. B. in Indien, Frankreich, Korea<br />
und Japan.<br />
Anmerkungen mit Bezug auf die Arbeit in Ländern, die einen<br />
<strong>and</strong>eren Ursprung von Status haben:<br />
Für Länder mit erworbenen Status gilt:<br />
- Hierarchien existieren, sind jedoch weniger formal und<br />
offensichtlich,<br />
- Die Umgangsformen im Geschäftsleben können lockerer sein, z. B.<br />
verwenden die Menschen üblicherweise den Vornamen, <strong>da</strong> es als<br />
unnötig erachtet wird, den höherrangigen Kollegen besondere<br />
Achtung entgegen zu bringen,<br />
- Manager können die Rolle des Mentors einnehmen. Sie sind<br />
Referenzpunkt und lenken ihre Untergebenen, <strong>da</strong>mit diese ihre<br />
Fähigkeiten ausprägen können und ihre Aufgaben mit minimaler<br />
Führung erfüllen können,<br />
- Untergebenene können die Entscheidungen des Vorgesetzten in<br />
Frage stellen,<br />
- Information fließen in der Regel sehr leicht zwischen den<br />
Hierarchieebenen. So ist es beispielsweise möglich, eine<br />
übergeordnete Person einer <strong>and</strong>eren Abteilung anzusprechen, um<br />
Absprachen durchzuführen bzw. Ratschläge oder Feedbacks zu<br />
erhalten.
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
4.3 Direkte versus indirekte Kommunikation<br />
Definition<br />
Für Länder mit zugeschriebenen Status gilt:<br />
Minos<br />
- Die Hierarchien, welche die Rollen, Verfahren und Prozesse<br />
definieren, sind zumeist rigider. Zum Beispiel werden Arbeitnehmer<br />
<strong>da</strong>zu tendieren, sich ausschließlich auf ihre eigenen Aufgaben zu<br />
konzentrieren und im Allgemeinen keine Vorschläge an<br />
Höhergestellte richten,<br />
- In der Arbeitsumgebung herrscht meist ein hohes Maß an<br />
Förmlichkeit, zum Beispiel sprechen die Leute ein<strong>and</strong>er mit Titeln<br />
und Nachnamen an. Berufsgruppen wie Doktoren, Architekten und<br />
Rechtsanwälte werden erwarten, <strong>da</strong>ss sie mit ihren entsprechenden<br />
Titeln angesprochen werden,<br />
- Von Managern werden klare Anweisungen erwartet und <strong>da</strong>ss sie alle<br />
Fragen beantworten können. Sie sollten erfahren, sachkundig und in<br />
der Lage sein, Probleme effektiv zu lösen. Ein Manager nimmt eher<br />
eine Elternrolle ein,<br />
- Für gewöhnlich stellen die Arbeitnehmer die Entscheidungen eines<br />
Vorgesetzten nicht in Frage,<br />
- Der Informationsfluss ist normalerweise langsam, <strong>da</strong> von einem<br />
Angestellten erwartet wird, <strong>da</strong>ss er nur zu seinem direkten<br />
Vorgesetzten spricht und nicht mit Leuten, die zum Beispiel einen<br />
höheren Status inne haben und in einer <strong>and</strong>eren Abteilung tätig sind.<br />
Kommunikation - <strong>da</strong>s Senden und Empfangen von Nachrichten - ist ein<br />
fun<strong>da</strong>mentaler Best<strong>and</strong>teil von Kultur. Sowohl im Prozess des Sendens<br />
als auch dem Prozess des Emfangens fließt Kommunikation durch einen<br />
kulturellen „Filter“.<br />
Während des Sendens einer Nachricht ist es nahezu unmöglich, nicht<br />
zumindest etwas kulturellen Inhalt beizufügen, sei er in den Wörtern selbst<br />
enthalten, der Art, wie sie ausgesprochen werden oder den nonverbalen<br />
Signalen, die sie begleiten.<br />
Empfangene Nachrichten durchlaufen den Filter der eigenen, kulturell<br />
bedingten Konditionierung. Das bedeutet, <strong>da</strong>ss die gleiche Nachricht von<br />
Menschen veschiedener Kultur auf unterschiedliche Weise interpretiert<br />
werden kann - und auf eine <strong>and</strong>ere Art als die sendende Person es meint.<br />
Die Informationen, die ein Ereignis umgeben, sind der Kontext. Er bezieht<br />
sich auf die Menge an angeborenem und größtenteils unbewusstem<br />
Verständnis, <strong>da</strong>s von einer Person in einer bestimmten Kommunkationssituation<br />
erwartet werden kann.<br />
Kontext kann als hoch oder niedrig kategorisiert werden und ist durch<br />
den Kommunikationsstil bedingt, der von Kultur zu Kultur stark differieren<br />
kann.<br />
29
30<br />
Minos<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
4.3.1 Die direkte Kommunikation / Kulturen mit niedrigem Kontext<br />
Definition Kulturen mit niedrigem Kontext tendieren <strong>da</strong>zu, logisch, linear,<br />
h<strong>and</strong>lungsorieniert, oft heterogen und individualistisch zu sein. Logik,<br />
Fakten und Geradlinigkeit werden geschätzt. Entscheidungen basieren<br />
häufiger auf verifizierbaren Fakten als auf Intuition. Auf <strong>da</strong>s Reden folgen<br />
Taten.<br />
Beispiel<br />
4.3.2 Indirekte Kommunikation / Kulturen mit hohem Kontext<br />
Definition<br />
Die Menschen wissen in der Regel nicht viel über ein<strong>and</strong>er und es<br />
existieren nur wenige mögliche Annahmen über eine <strong>and</strong>ere Person. Sie<br />
können sich nicht auf den Kontext berufen - also sich auf etwas verlassen,<br />
<strong>da</strong>s in einer Situation immer getan oder gesagt wird - oder nonverbal<br />
kommunizieren, um sich verständlich zu machen. Stattdessen müssen<br />
sie sich viel mehr auf verbale Kommunikation verlassen und <strong>da</strong>ss sie<br />
wörtlich interpretiert wird. Das Hauptziel von Kommunikation ist zumeist<br />
Informationen zu erhalten oder zu geben. Dadurch findet man einen<br />
direkteren Kommunikationsstil und von den Leuten wird erwartet, <strong>da</strong>ss<br />
sie geadlinig, präzise und effizient kommunizieren.<br />
Typische Länder mit niedrigem Kontext sind die USA, Deutschl<strong>and</strong>, die<br />
Schweiz und die sk<strong>and</strong>inavischen Länder.<br />
Kulturen mit einem hohen Kontext tendieren <strong>da</strong>zu, beziehungsorientiert,<br />
kollektivistisch, intuitiv, nachdenklich und oft homogen zu sein. Diese<br />
Kulturen bevorzugen Gruppenharmonie und Konsens gegenüber der<br />
Einzelleistung. Die Menschen aus diesen Kulturen werden weniger von<br />
Rationalität als von Intuition und Gefühlen gelenkt. Das heißt, <strong>da</strong>ss die<br />
Leute grossen Wert auf zwischenmenschliche Beziehungen legen. Die<br />
Entwicklung von Vertrauen ist ein wichtiger erster Schritt für jegliche<br />
Kooperation.<br />
Menschen aus Kulturen mit einem hohen Kontext tendieren <strong>da</strong>zu,<br />
ausgedehnte Informationsnetzwerke und viele enge, persönliche<br />
Beziehungen zu haben. Da diese Kulturen <strong>da</strong>zu neigen, kollektivistisch<br />
zu sein, arbeiten die Leute eng zusammen und wissen, was alle <strong>and</strong>eren<br />
wissen. Das Hauptziel des Informationsaustausches ist es, die Harmonie<br />
aufrecht zu erhalten und niem<strong>and</strong>en in der Gruppe zu blamieren.<br />
Wörter sind weniger wichtig als der Kontext, der den Klang der Stimme,<br />
die Mimik, die Gestik und die Haltung des Sprechers oder sogar die<br />
Familiengeschichte einer Person und den Status umfassen kann. Die<br />
Leute tragen hochentwickelte und verfeinerte Vorstellungen <strong>da</strong>rüber in<br />
sich, wie sich die meisten Interaktionen gestalten werden und wie sich<br />
die <strong>and</strong>eren Personen in einer bestimmten Situation verhalten werden.<br />
Die zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich übermittelte Nachricht<br />
besteht nur aus wenigen Informationen - der Großteil ist den<br />
kommunizierenden Personen bereits bekannt.
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Minos<br />
Deshalb haben sie einen indirekteren Kommunikationstil entwickelt. Sie<br />
müssen nicht so explizit sein und verlassen sich weniger auf Worte -<br />
speziell die buchstäbliche Bedeutung des gesprochenen Wortes - um<br />
Bedeutungen zu übermitteln, sondern mehr auf die nonverbale<br />
Kommunikation.<br />
Beispiel Die japanischen, arabischen und viele afrikanische sowie mediterrane<br />
Länder werden als Kulturen mit hohem Kontext betrachtet.<br />
Anmerkungen mit Bezug auf die Arbeit in Ländern mit <strong>and</strong>erem<br />
Kontext und Kommunikationsstilen:<br />
Wichtig Manchmal ist es mehr die Art, wie etwas gesagt wird als <strong>da</strong>s, was gesagt<br />
wird, was die richtige Nachricht kommuniziert. Wenn Sie eine direkte<br />
Person sind, die in einem L<strong>and</strong> tätig ist, <strong>da</strong>s indirekte Kommunikation<br />
verwendet, kann es Ihnen so erscheinen, als ob sie zwei verschiedene<br />
Sprachen sprechen, auch wenn es dieselbe ist. Verschiedene Arten der<br />
Kommunikation erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Missverständnissen<br />
und Fehlinterpretationen. Darum ist es besonders wichtig, bei der<br />
interkulturellen Kommunikation sowohl auf explizite als auch auf subtile<br />
oder versteckte Nachrichten zu achten. Dafür braucht es ein hohes Maß<br />
an Aufmerksamkeit.<br />
Für Länder mit niedrigem Kontext / direkter Kommunikation gilt:<br />
- Um sich klar auszudrücken, sollte man präzise Wörter verwenden<br />
und erwarten, wortwörtlich genommen zu werden,<br />
- Auf Verh<strong>and</strong>lungen folgen oft explizite Verträge,<br />
- Um Entscheidungen zu treffen, wollen und brauchen die Leute<br />
häufig viele Hintergrundinformationen. Sie wollen alles wissen. Eine<br />
Person mit einem niedrigen Kontext beispielsweise kann von einer<br />
Person mit einem hohen Kontext als jem<strong>and</strong> empfunden werden,<br />
der zu viel redet, zu genau ist und unnötige Informationen zur<br />
Verfügung stellt.<br />
Für Länder mit hohem Kontext / indirekter Kommunikation gilt:<br />
- Missverständnisse können sich <strong>da</strong>raus ergeben, <strong>da</strong>ss die<br />
verschiedenen Kommunikationsstile bezüglich des hohen und<br />
niedrigen Kontexts nicht in Betracht gezogen werden,<br />
- Die Menschen tendieren <strong>da</strong>zu, Entscheidungen auf weniger<br />
Hintergrundinformationen zu gründen, die zu einer bestimmten Zeit<br />
bereitgestellt werden, <strong>da</strong> sie sich ständig <strong>da</strong>mit beschäftigt haben,<br />
was vor sich geht,<br />
- Um die Verwendung der indirekten Kommunikation zu erlernen,<br />
können die folgenden Techniken angewendet werden:<br />
1. Die Verwendung eines eingeschränkten Ja, um Nein zu sagen.<br />
2. Das Erzählen einer Geschichte, um auf sanfte Art Nein zu sagen.<br />
3. Das Wechseln des Themas, um nicht Nein sagen zu müssen.<br />
4. Das Stellen einer Frage, um eine negative Antwort zu geben.<br />
5. Die Rückkehr zu einem vorherigen Punkt der Diskussion, um<br />
Meinungsverschiedenheit zu signalisieren.<br />
31
32<br />
Minos<br />
5 Arbeiten im Ausl<strong>and</strong><br />
5.1 Kulturellen Schock erfahren<br />
5.1.1 Der kulturelle Schock<br />
Definition<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Das letzte Kapitel wird mögliche motivationale und praktische Probleme<br />
aufgreifen, welchen sich ein Arbeiter in einem fremden L<strong>and</strong><br />
gegenübergestellt sehen könnte. Außerdem bietet es dem Leser einige<br />
Ratschläge, um sich diesen Herausforderungen stellen zu können.<br />
Kultur hilft <strong>da</strong>bei zu definieren, wer Menschen sind, an was sie glauben<br />
und wie sie sich verhalten. Im Ausl<strong>and</strong> tätig zu sein, heißt an einen Ort zu<br />
gehen, wo einige dieser erlernten Regeln nicht mehr gelten. Die „richtigen“<br />
Weisen des Essens, Sprechens, Verhaltens usw. müssen gegebenenfalls<br />
neu erlernt werden. Geert Hofstede beschreibt <strong>da</strong>s, indem er sagt, <strong>da</strong>ss<br />
der kulturelle Schock „uns zu dem geistigen Zust<strong>and</strong> eines Säuglings<br />
zurückwirft.“<br />
Im Ausl<strong>and</strong> zu arbeiten, bedeutet, <strong>da</strong>ss man sich auf eine neue Kultur<br />
einstellen muss. Selbst wenn die Kultur der des Heimatl<strong>and</strong>es sehr ähnlich<br />
scheint, können signifikante Unterschiede vorh<strong>and</strong>en sein. Diese können<br />
zu Depressionen und zu Einsamkeit, Sorgen, Furcht, Rückzug,<br />
Hilflosigkeit und Hass auf die neue Kultur führen. Das wird als „kultureller<br />
Schock“ bezeichnet.<br />
Kulturellen Schock tritt auf, wenn zentrale Ansichten und zugrunde liegende<br />
Annahmen über die Welt plötzlich nicht mehr anwendbar sind.<br />
5.1.2 Methoden für den Umgang mit kulturellem Schock<br />
Wenn Sie im Ausl<strong>and</strong> arbeiten und mit dem kulturellen Schock konfrontiert<br />
werden, stehen eine Auswahl verschiedener Methoden und Strategien<br />
zur Verfügung, mit denen man den emotionalen Kampf bestreiten kann,<br />
der Teil des kulturellen Schocks ist:<br />
1. Machen Sie sich bewusst, <strong>da</strong>ss der kulturelle Schock ein<br />
normaler Vorgang im Anpassungsprozess an eine neue Kultur<br />
ist. Sie sind einer unter vielen; Sie sind weder der erste, noch der<br />
letzte Mensch, der diesen Kampf durchläuft.<br />
2. Seien Sie mit sich und Ihrer neuen Umwelt geduldig, kulturelle<br />
Anpassung braucht seine Zeit.<br />
3. Erlernen Sie die Sprache und seien Sie nicht <strong>da</strong>rum verlegen, ein<br />
Wörterbuch bei sich zu tragen. Wissen die Menschen, <strong>da</strong>ss Sie<br />
es versuchen, werden sie oft hilfsbereiter sein.<br />
4. Treten Sie in einen Sportverein, eine Institution oder Organisation<br />
ein bzw. nehmen Sie an Unterrichtsstunden teil. Das wird Ihnen<br />
Möglichkeiten eröffnen, mit <strong>and</strong>eren in Kontakt zu treten.<br />
5. Seien Sie realistisch. Nicht alle schlechten Stimmungen basieren<br />
auf Kultur. Zu Hause haben Sie auch schwierige Tage erlebt.<br />
6. Treten Sie mit den Personen in Kontakt, die Ihnen helfen können.<br />
7. Informieren Sie sich bereits vor der Reise so gut wie möglich über<br />
die neue Kultur.
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Minos<br />
8. Zelebrieren Sie jeden Schritt, den Sie in Ihrem Anpassungsprozess<br />
voranschreiten. Auch kleine Erfolge lassen Sie sich gut fühlen und<br />
erleichtern die nächsten Schritte.<br />
5.2 Der Prozess der kulturellen Anpassung<br />
Der Prozess der Anpassung, den man bei der Eingliederung in eine neue<br />
Kultur durchläuft - und den alle Menschen mit höherer oder geringerer<br />
Intensität durchschreiten - kann man mit Hilfe von Phasen beschreiben:<br />
Geert Hofestede beschreibt die Phasen wie folgt:<br />
Phase 1:<br />
Während der ersten Phase sind die Menschen begeistert <strong>da</strong>rüber, in einer<br />
neuen Kultur zu leben und mögen die Unterschiede, die sie wahrnehmen.<br />
Das ist mit den Empfindungen vergleichbar, die man hat, wenn man im<br />
Urlaub ein fremdes L<strong>and</strong> bereist.<br />
Phase 2:<br />
Der Reiz des Neuen und die Aufgeregtheit weichen möglicherweise<br />
zugunsten von alltäglichen Frustrationen und den Herausforderungen beim<br />
Versuch, in der neuen Gesellschaft „normal“ zu leben. An diesem Punkt<br />
setzt der kulturelle Schock ein. Die Menschen fühlen sich missverst<strong>and</strong>en<br />
und haben Schwierigkeiten <strong>da</strong>mit, die „normalsten“ Dinge zu erledigen.<br />
Desweiteren werden die Neuankömmlinge nicht länger als Gast beh<strong>and</strong>elt<br />
sondern es wird erwartet, <strong>da</strong>ss sie die Dinge selbst in die H<strong>and</strong> nehmen.<br />
Diese Frustrationen können schnell zu Gefühlen der Angst und des<br />
Rückzugs führen.<br />
Phase 3:<br />
Hier beginnt die Anpassung. Die Menschen mögen sich zwar weiterhin<br />
mit Frustrationen konfrontiert sehen, aber <strong>da</strong>durch lernen sie effektiver in<br />
ihrer neuen Kultur zu leben. Um diese Phase zu meistern, ist oft einen<br />
beträchtlichen Aufw<strong>and</strong> erforderlich.<br />
Phase 4:<br />
Diese Phase wird erreicht, wenn Neuankömmlinge einen stabilen<br />
Gemütszust<strong>and</strong> erlangt haben, was bedeutet, <strong>da</strong>ss sie sich permanent<br />
an die neue Kultur angepasst haben. Das muss zwar nicht zwingend<br />
heißen, <strong>da</strong>ss sie diese jetzt mögen oder der alten vorziehen, aber sie<br />
haben ein Verständnis <strong>da</strong>rüber entwickelt, warum die Leute in der <strong>and</strong>eren<br />
Kultur tun was sie tun. Sie sind in der Lage, relativ erfolgreich innerhalb<br />
der Regeln der neuen Kultur zu agieren.<br />
33
34<br />
Minos<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
5.3 Den Gebrauchs des Selbst-Referenz-Kriteriums vermeiden<br />
5.4 Beobachtungen<br />
Die Tendenz, die eigenen Werte und Überzeugungen als Referenzrahmen<br />
für die Einschätzung einer Situation zu verwenden, ist eher die Regel als<br />
die Ausnahme. Das Phänomen ist so verbreitet, <strong>da</strong>ss der Kulturanthropologe<br />
J.A. Lee den Ausdruck Selbst-Referenz-Kriterium<br />
entwickelte, um es zu beschreiben. Diese Tendenz kann so stark sein,<br />
<strong>da</strong>ss sie den Prozess der kulturellen A<strong>da</strong>ptation verhindert.<br />
Lee beschreibt einen in vier Schritten ablaufenden Prozess, der <strong>da</strong>bei<br />
hilft, die kulturellen Unterschiede zu erkennen, die möglicherweise zu<br />
Problemen führen können. Nachdem man sie erkannt hat, kann man<br />
Maßnahmen ergreifen, die zur Bewältigung dieser Probleme nützlich sein<br />
können. Die Schritte sind die Folgenden:<br />
1. Analysieren Sie zunächst die Situation in Bezug auf Ihre eigenen<br />
kulturellen Besonderheiten, Bräuche und Werte.<br />
2. Analysiern sie anschließend die Situation in Bezug auf die kulturellen<br />
Besonderheiten, Bräuche und Werte des neuen L<strong>and</strong>es.<br />
3. Isolieren Sie nun den Einfluss des Selbst-Referenz-Kriteriums in der<br />
Situation und untersuchen Sie genau, wie es Ihre Sicht der Situation<br />
beeinflusst.<br />
4. Definieren Sie Situation neu, aber diesmal ohne den Einfluss des<br />
Selbst-Referenz-Kriteriums <strong>and</strong> verhalten Sie sich in einer Art und<br />
Weise, von der alle profitieren.<br />
Der Wichtigste der ersten Schritte in einer neuen Kultur ist die<br />
Beobachtung. Wahrnehmende Beobachtung wird Ihnen helfen, die<br />
notwendigen Informationen und Perspektiven zu erhalten, um eine <strong>and</strong>ere<br />
Kultur zu verstehen und <strong>da</strong>s eigene Verhalten an die Situation anzupassen.<br />
Die folgenden Fragen werden Ihnen <strong>da</strong>bei helfen, die Antworten zu finden,<br />
welche es Ihnen erlauben, Ihr Verhalten effektiver an die neue Umgebung<br />
anzupassen:<br />
Machtdifferenzverhalten<br />
- Wie beh<strong>and</strong>eln Angestellte ihre Vorgesetzten?<br />
- Wie gehen die Vorgesetzten mit ihren Angestellten um?<br />
- Findet man Hinweise <strong>da</strong>rüber, ob Vorgesetzte ihre Autorität<br />
delegieren oder an ihr festhalten?<br />
- Gibt es Hinweise <strong>da</strong>rüber, ob Arbeitnehmer die Initiative ergreifen<br />
oder im Allgemeinen auf Instruktionen warten?<br />
- Mit wem essen die Menschen zu Mittag? Essen sie nur mit<br />
ihresgleichen oder kommt es zu einer Durchmischung der<br />
Hierarchieebenen?
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Der Umgang mit Zeit<br />
Minos<br />
- Erscheinen die Menschen pünktlich zur Arbeit? Wer ist pünktlich und<br />
wer nicht?<br />
- Was geschieht, wenn sich jem<strong>and</strong>, der sich unterhält, einen Anruf<br />
erhält?<br />
- Wie verhält sich eine Person, wenn sie zu zwei <strong>and</strong>eren<br />
hinzukommt, die sich bereits unterhalten?<br />
- Beginnen Meetings pünktlich?<br />
- Wie lange müssen Leute warten, die einen Termin haben?<br />
Kommunikationsstile<br />
- Wie wird mit Konflikten umgegangen?<br />
- Wie wird Meinungsverschiedenheit ausgedrückt?<br />
- Wie werden schlechte Nachrichten oder Bedenken kommuniziert?<br />
- Wie wichtig scheint es zu sein, <strong>da</strong>ss man sein Gesicht wahrt.<br />
- Agieren die Menschen in Gesprächen eher direkt oder indirekt?<br />
- Wirkt es als hätte der Arbeitsplatz einen hohen oder niedrigen<br />
Kontext?<br />
Nonverbale Kommunikation<br />
- Wie sind die Leute gekleidet?<br />
- Wie grüßen man sich am Morgen?<br />
- Welche Regeln gibt es, wenn man <strong>da</strong>s Büro eines <strong>and</strong>eren betritt<br />
oder verlässt?<br />
- Halten die Menschen Blickkontakt während eines Gespräches?<br />
- Wie weit stehen die Leute ausein<strong>and</strong>er?<br />
Arbeitsplatznormen<br />
- Kommen die Menschen in Interaktionen direkt auf die Aufgabe zu<br />
sprechen oder reden sie mehr über Allgemeines?<br />
- Arbeiten die Menschen eng zusammen oder eher unabhängig<br />
vonein<strong>and</strong>er?<br />
- Werden Frauen und Männern verschieden beh<strong>and</strong>elt? Wenn ja, auf<br />
welche Weise?<br />
- Welches Benehmen der Belegschaft scheint honoriert zu werden?<br />
- Wie scheinen die Leute im Allgemeinen zu Regeln und der Pflicht,<br />
ihnen nachzukommen zu stehen?<br />
35
36<br />
Minos<br />
Referenzen<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Bücher und Artikel<br />
Bennett, M. (Ed.) (1998): Basic Concepts of Intercultural Communication.<br />
Yarmouth, Maine. Intercultural Press<br />
Ghauri, P. N. ; Usunier, J. C. (Eds.): International Business Negotiations.<br />
Oxford. Redwood Books<br />
Hall, E. T. ; Hall, M. R. (1987). Hidden Differences: Doing Business with<br />
the Japanese. New York. Double<strong>da</strong>y<br />
Hall, E. T ; Hall, M. R., Mildred R. (1990): Underst<strong>and</strong>ing Cultural<br />
Differences. Germans, French <strong>and</strong> Americans. Yarmouth, Maine.<br />
Intercultural Press<br />
Hofstede, G. (1997): Cultures <strong>and</strong> Organizations: Software of the Mind<br />
(2nd ed.). New York. McGraw-Hill<br />
Hofstede, G. (2001): Culture´s Consequences (2nd ed.): Comparing<br />
Values, Behaviors, Institutions <strong>and</strong> Organizations Across Nations.<br />
Thous<strong>and</strong> Oaks. Sage<br />
Kluckhohn, F. ; Strodtbeck, R. (1961): Variations in value orientations.<br />
Evanston. Row Peterson<br />
Lee, James (1966): A Cultural Analysis in Overseas Operations. Harvard<br />
Business Review (March-April). 106-114<br />
Linton, R. (1945): The Cultural Background of Personality. New York<br />
Terpstra, V. ; David, S.K. (1991): The Cultural Environment of International<br />
Business (4th ed.) Southwestern Publishing<br />
Mautner- Markhof, F. (Ed.) (1989): Process of International Negotiations.<br />
Westview Press. Boulder<br />
Peace Corps (n.d.): Culture Matters. Washington. ICE<br />
Internet<br />
http://www.geert-hofstede.com<br />
http://www.kwintessential.co.uk
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz<br />
Danksagung<br />
Minos<br />
Sozialverhalten, Interkulturelle Kompetenz ist ein eigenständiges <strong>Modul</strong><br />
des Seminars Meachatronik, welches innerhalb des MINOS Projektes<br />
entwickelt und von der Europäischen Kommission gefördert wurde.<br />
Dabei gab es viele Menschen, die zu dieser Arbeit beigetragen haben.<br />
Der Autor be<strong>da</strong>nkt sich bei folgenden Personen für ihre Beitrage,<br />
Ergänzungen und Durchsichten des Materials.<br />
Andre Henschke, Geert Hofstede, Marcus Carson, Tom Burns, Ulrike<br />
Gampig, Viola Krynksi.<br />
Ich möchte mich ebenso bei den Firmen be<strong>da</strong>nken, die mir erlaubten,<br />
<strong>da</strong>s Material zu testen und durch ihre praktische Erfahrung zu verbessern,<br />
dem Peace Corps für ihre intensive Vorarbeit auf dem interkulturellen<br />
Sektor und der Europäischen Kommission für Ihren finanziellen Beitrag.<br />
37
<strong>Mechatronik</strong><br />
<strong>Modul</strong> 2: Projektmanagement und<br />
(Teil 2) Organisation<br />
Schülerh<strong>and</strong>buch<br />
(Konzept)<br />
Andre Henschke<br />
Henschke Consulting Dresden,<br />
Deutschl<strong>and</strong><br />
EU-Projekt Nr. 2005-146319 „MINOS“, Laufzeit von 2005 bis 2007<br />
Europäisches Konzept für die Zusatzqualifikation <strong>Mechatronik</strong> für<br />
Fachkräfte in der globalisierten industriellen Produktion.<br />
Das Projekt wurde gefördert von der<br />
Europäischen Union im Rahmen des<br />
Aktionsprogramms der Europäischen Union<br />
für die berufliche Bildung „<strong>Leonardo</strong> <strong>da</strong><br />
<strong>Vinci</strong>“.<br />
www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch
Projektpartner bei der Erarbeitung und Erprobung<br />
des Teachwarekonzepts<br />
• Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und<br />
Produktionsprozesse, Deutschl<strong>and</strong> – Projektleitung<br />
• Corvinus Universität Bu<strong>da</strong>pest, Institut für Informationstechnologien, Ungarn<br />
• Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Schweden<br />
• Technische Universität Wroclaw, Institut für Produktionstechnik und<br />
Automatisierung, Polen<br />
• Henschke Consulting Dresden, Deutschl<strong>and</strong><br />
• Christian Stöhr Unternehmensberatung, Deutschl<strong>and</strong><br />
• Neugebauer und Partner OHG Dresden , Deutschl<strong>and</strong><br />
• Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen<br />
• Euroregionale Industrie- und H<strong>and</strong>elskammer Jelenia Gora, Polen<br />
• Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Ungarn<br />
• Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Ungarn<br />
• Nationales Institut für berufliche Bildung Bu<strong>da</strong>pest, Ungarn<br />
Teachwearkonzept:<br />
• <strong>Modul</strong> 1: Grundlagen<br />
• <strong>Modul</strong> 2: Interkulturelle Kompetenzen, Projektmanagement<br />
• <strong>Modul</strong> 3: Fluidtechnik<br />
• <strong>Modul</strong> 4: Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
• <strong>Modul</strong> 5: Mechatronische Komponenten<br />
• <strong>Modul</strong> 6: Mechatronische Systeme und Funktionen<br />
• <strong>Modul</strong> 7: Inbetriebnahme, Sicherheit, Teleservice<br />
• <strong>Modul</strong> 8: Fernwartung, Diagnose<br />
Weitere Informationen:<br />
2<br />
Technische Universität Chemnitz<br />
Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse<br />
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Reimund Neugebauer<br />
Prof. Dr.-Ing. Dieter Weidlich<br />
Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz<br />
Tel.: +49(0)0371 531-23500<br />
Fax: +49(0)0371 531-23509<br />
Email: wzm@mb.tu-chemnitz.de<br />
Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Inhalt<br />
Minos<br />
1 Projektarbeit im Trend<br />
1.1 Projektarbeit in der Vergangenheit 5<br />
1.2 Phasen der Entwicklung der Projektarbeit 5<br />
1.3 Herkunft von Projektorganisationsprinzipien 6<br />
1.4 Die neun Wissensfelder des Projektmanagement 7<br />
2 Ein Projekt - Bedingungen und Merkmale 8<br />
2.1 DIN 69 901 8<br />
3 Projektarten 9<br />
3.1 Investitionsprojekte 10<br />
3.2 Forschungs- und Entwicklungsprojekte 10<br />
3.3 Organisationsprojekte 11<br />
3.4 Projektstrukturplan 12<br />
3.5 Besonderheiten im Internationalen Projektmanagement 12<br />
3.5.1 Ziele der Internationalisierung 12<br />
3.5.2 Typen von Internationalisierungszielen 13<br />
3.5.2.1 Ökonomische und nicht-ökonomische Ziele der einer Internationalisierung 13<br />
3.5.2.2 Defensive und offensive Ziele der Internationalisierung 15<br />
3.5.2.3 Ressourcenorientierte, Produktionsorientierte und Absatzorientierte Ziele 15<br />
3.5.3 Einflüsse der Soziologie im Internationalen Projektmanagement 16<br />
4 Planungs- und Zielhorizonte des Projektmanagement 17<br />
4.1 Operatives Projektmanagement 17<br />
4.2 Taktisches Projektmanagement 17<br />
4.3 Strategisches Projektmanagement 17<br />
5 Ein Projekt und seine Phasen 18<br />
5.1 Projektideen und Projektauflösung 19<br />
5.2 Zieldefinition und Projektidentifikation 19<br />
5.3 Machbarkeitsstudie 19<br />
5.4 Projektauftrag und Kick Off 20<br />
5.5 Grobgliederung und Definition der Projektaufgaben 20<br />
5.6 Feinstrukturierung 20<br />
5.7 Projektplanung 21<br />
5.8 Projektüberwachung 22<br />
5.9 Projektauswertung 22<br />
5.10 Projektmanagement Prozessgruppen 22<br />
5.10.1 Prozessgruppe Initiierung 23<br />
5.10.2 Prozessgruppe Planung 23<br />
5.10.3 Prozessgruppe Ausführung 24<br />
5.10.4 Prozessgruppe Steuerung 24<br />
5.10.5 Prozessgruppe Abschluss 24<br />
6. Projektorganisation 25<br />
6.1 Reine Projektorganisation 25<br />
6.2 Stabsorganisation (Projektkoordination) 26<br />
6.3 Matrixorganisation 26<br />
6.4 Zusammenfassung: Merkmale einer Projektorganisation 27<br />
7. Projektleitung 28<br />
7.1 Der Projektleiter 28<br />
7.1.1 Verantwortungsbereiche eines Projektleiters 28<br />
7.1.2.Aufgaben eines Projektleiters 29<br />
7.1.3 Persönliche Anforderungen an den Projektleiter 29<br />
7.1.4 Mindestkompetenzen eines Projektleiters 30<br />
7.2 Das Projektteam 31<br />
3
4<br />
Minos<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
8 Projektplanung 31<br />
8.1 Zielplanung 31<br />
8.2 Planungsaspekte 33<br />
8.3 Gliederungen von Projekten 33<br />
8.4 Arten von Projektplänen 34<br />
8.5 Projektplanungstechniken und -instrumente 34<br />
8.6 Netzplantechnik 36<br />
8.6.1 Ziele der Netzplantechnik 36<br />
8.6.2 Geschichte der Netzplantechnik 37<br />
8.6.3 Grundbegriffe der Netzplantechnik 38<br />
8.6.4 Weitere Begriffe der Netzplantechnik 40<br />
8.6.5 Beispiele der Netzplantechnik 41<br />
8.6.6 Arten von Netzplänen 42<br />
8.6.7 Vorteile der Netzplantechnik 43<br />
8.6.8 Nachteile der Netzplantechnik 44<br />
8.7 Meilensteine 45<br />
9 Schritte zum Projekterfolg 46<br />
10 Risikomanagement 48<br />
Literaturverweise 49
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
1 Projektarbeit im Trend<br />
1.1 Projektarbeit in der Vergangenheit<br />
Minos<br />
Ob der Bau antiker Tempelanlagen, die Erforschung unbekannter<br />
Kontinente, und die Entwicklung bahnbrechender Verfahren und<br />
Technologien, immer waren es mutige Vorhaben kreativer Köpfe, die<br />
ein Ergebnis in einer bestimmten Zeit unter Verwendung bestimmter<br />
Ressourcen schufen, und <strong>da</strong>bei mit begrenzten Mitteln haushalten<br />
mussten.<br />
Die genaueste Gliederung von Abläufen zur Erreichung eines Zieles<br />
findet man nicht ohne Grund im militärischen Bereich. Die Verlegung<br />
von Material, Nachschub und Truppen stellt seit der Antike eine komplexe<br />
Herausforderung <strong>da</strong>r.<br />
Die Aufgabenstellungen, Methoden, Instrumente und Ebenen des<br />
Projektmanagements sind im Wesentlichen gut bekannt und<br />
dokumentiert. Ziel sollte es jedoch sein, eine möglichst weit verbreitete,<br />
einheitliche Begriffsbasis und Terminologie zu etablieren und zu fördern.<br />
Dieser Aufgabe stellen sich diverse Normierungsinstitute und PM-<br />
Verbände.<br />
Insbesondere ist hier <strong>da</strong>s amerikanische Project Management Institute<br />
(PMI) zu nennen, <strong>da</strong>s mit seinem PMBOK (Project Management Body<br />
of Knowledge) <strong>da</strong>s englischsprachige Stan<strong>da</strong>rdwerk zum<br />
Projektmanagement herausgegeben hat. Viele der folgenden<br />
Informationen beziehen sich auf <strong>da</strong>s PMBOK, <strong>da</strong> es sich durch die sehr<br />
strukturierte Darstellung eignet, um die Besonderheiten von Projekten<br />
und Projektmanagement <strong>da</strong>rzustellen. Für Deutschl<strong>and</strong> finden<br />
insbesondere die Normen DIN 69900-1, DIN 69900-2, DIN 69901 bis<br />
69905 Anwendung.<br />
Als internationaler Leitfaden für Qualitätsmanagement in Projekten ist<br />
die Norm ISO 10006:2003 veröffentlicht worden.<br />
1.2 Phasen der Entwicklung der Projektarbeit<br />
Die Phasen der Entwicklung des Projektmanagement kann man in drei<br />
Hauptphasen teilen:<br />
- Phase des unbewußten Projektmanagement (Antike bis hin zum<br />
Beginn der frühen Neuzeit)<br />
- Phase der bewußten Planung von singulären Vorhaben (Zeit der<br />
Entdecker, Neuzeit bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts)<br />
- Phase der detaillierten Projektplanung, organisertes<br />
Projektmanagement, ab 1980.<br />
5
6<br />
Minos<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Beispiel Bereits die Legionen des Römischen Imperiums waren in Struktur und<br />
Spezialisierung ihren Gegnern weit überlegen, und konnten so für Rom<br />
den Sieg aus einer Vielzahl von Schlachten <strong>da</strong>vontragen.<br />
Dabei überw<strong>and</strong> der gezielte und wohl überlegte punktuelle Einsatz von<br />
Kräften selbst die zahlenmäßige Überlegenheit eines Gegners. Die<br />
Schlacht von Alesia, 52 v. Chr., in der Gaius Iulius Caesar mit nur 50.000<br />
Mann der erdrückenden Übermacht von 320.000 Mann widerst<strong>and</strong> und<br />
siegreich als Eroberer Galliens hervorging, ist nur ein Beispiel für die<br />
Möglichkeiten, die gezielter Einsatz von Mitteln in sich birgt.<br />
Am 05. Dezember 1757 bezwang Friedrich der Große <strong>da</strong>s dreimal<br />
stärkere Heer der Österreicher. Dieser Sieg ging nicht aus zahlenmäßiger<br />
Überlegenheit, sondern aus dem richtigen und optimierten Einsatz von<br />
Kräften hervor.<br />
1.3 Herkunft von Projektorganisationsprinzipien<br />
Wichtig<br />
Als erstes Werk zur Planung komplexer Operationen im militärischen<br />
Bereich der Neuzeit kann <strong>da</strong>her <strong>da</strong>s 1832 erschienene Werk des<br />
preußischen Offiziers Carl von Clausewitz „Vom Kriege“ gewertet werden.<br />
Clausewitz Theorien werden noch heute als Stan<strong>da</strong>rdwerk in Harvard<br />
und vielen <strong>and</strong>eren Elitehochschulen gelehrt. Die Übertragbarkeit seiner<br />
Annahmen in den Bereich der Betriebswirtschaft stellt eine wichtige Basis<br />
auch für <strong>da</strong>s Projektmanagement <strong>da</strong>r.<br />
Fast alle Vorhaben in Wirtschaft, öffentlicher Verwaltung, Forschung,<br />
Politik und Bildung werden heute in Form von Projekten verwirklicht.<br />
Auch kleinere, interne Aufgabenstellungen realisieren die Unternehmen<br />
in Projektteams. Besser bewältigen lassen sich mit Hilfe von Projektarbeit<br />
vor allem komplexe interdisziplinäre Probleme.<br />
Die Zahl der Projekte ist in den letzten Jahren rapide angestiegen.<br />
Projektmanagement ist jedoch keine Wunderwaffe. Es ist ein komplexes<br />
Werkzeug, <strong>da</strong>s es effektiv und effizient anzuwenden und einzusetzen<br />
gilt. Projektmanagement findet vor allem zunächst im Kopf statt.<br />
Schwachpunkte bzw. Risikofaktoren in Projekten sind u. a. häufig die<br />
Menschen selbst.<br />
Denn erfolgreich ein Projekt zu managen, hängt vor allem <strong>da</strong>von ab, ob<br />
die Firma einen (sozial-) kompetenten Projektleiter einsetzt.
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
1.4 Die neun Wissensfelder des PM<br />
Minos<br />
Projektmanagement hat im Wesentlichen die folgenden Tätigkeits- oder<br />
Wissensbereiche abzudecken (nach Project Management Institute):<br />
Integrationsmanagement:<br />
Hier werden die verschiedenen Elemente eines Projektes koordiniert.<br />
Die Einhaltung von Projektmanagement-Stan<strong>da</strong>rds erleichtert dies.<br />
Inhalts- und Umfangsmanagement (auch Scope Management):<br />
Das Management des Projektrahmens (auch: Inhalts- und<br />
Umfangsmanagement) sorgt <strong>da</strong>für, <strong>da</strong>ss die gesetzten Projektziele<br />
erreicht werden. Es sorgt allerdings nicht nur für die Ergebnisorientierung<br />
in Bezug auf die ursprünglichen Ziele, sondern hat insbesondere zur<br />
Aufgabe, notwendige Abweichungen von diesen Zielen, die im<br />
Projektverlauf deutlich werden, in <strong>da</strong>s Projekt einzusteuern sowie<br />
entsprechende Neuplanungen zu veranlassen.<br />
Terminmanagement:<br />
Zielt auf die Einhaltung des Zeitrahmens ab und sollte alle beteiligten<br />
Zielgruppen einbinden. Der Projektplan dient <strong>da</strong>bei v.a. als<br />
Kommunikationsmedium.<br />
Kostenmanagement:<br />
Zielt auf die Budgeteinhaltung ab. Hierfür ist der Kostenverlauf zu<br />
erfassen. Gegebenenfalls sind Gegenmaßnahmen einzuleiten.<br />
Qualitätsmanagement:<br />
Projektspezifisches Qualitätsmanagement umfasst Stan<strong>da</strong>rdisierung von<br />
Projektmanagement-Prozessen, Dokumentation der Arbeiten und<br />
Ergebnisse, sowie ein geeignetes Maßnahmenmanagement.<br />
Personalmanagement:<br />
Beinhaltet die effiziente Zuordnung der Ressourcen nach Fähigkeiten<br />
und verfügbaren Kapazitäten auf die Projektaufgaben, aber auch die<br />
Teamentwicklung.<br />
Kommunikationsmanagement:<br />
Nimmt häufig bis zu 50% der Projektarbeit ein und schließt alle Beteiligten<br />
und Betroffenen ein; auch im Veränderungsmanagement (Change<br />
Management) zu berücksichtigen.<br />
Risikomanagement:<br />
Projektspezifisches Risikomanagement. Beinhaltet Risikoanalysen,<br />
präventive Maßnahmen und Notfallkonzepte. Insbesondere bei<br />
komplexen Projekten ist dies von Bedeutung.<br />
Beschaffungsmanagement:<br />
Integration und Zusammenarbeit mit Partnern und Lieferanten.<br />
Wichtiger Hinweis:<br />
Die Wissensgebiete sind zwar vom Wortlaut gleich, wie entsprechende<br />
Äquivalente im allgemeinen Management, jedoch sind hier jeweils die<br />
projektspezifischen Themen gemeint.<br />
7
8<br />
Minos<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
2. Ein Projekt - Bedingungen und Merkmale<br />
2.1 DIN 69 901<br />
Definition<br />
Projektmanagement hat durch die projektspezifischen Eigenschaften<br />
(Einmaligkeit der Produkterstellung, zeitliche Beschränkung,<br />
Stakeholderorientierung und iterative Heransgehensweise) spezielle<br />
Projektmanagementprozesse (siehe Projektmanagement<br />
Prozessgruppen), welche sich von den allgemeinen Management-<br />
Wissensgebieten erheblich unterscheiden (können).<br />
Laut DIN 69 901 ist ein Projekt:<br />
„Ein Vorhaben <strong>da</strong>s im wesentlichen durch eine Einmaligkeit der<br />
Bedingungen in ihrer Gesamtheit gekennzeichnet ist“.<br />
Sie ist der Nachfolger der DIN 69900 "Netzplantechnik", welche erst<br />
diese Begriffe umfasste. Ebenfalls Begriffe aus dem Projektmanagement<br />
definieren die DIN 69902, 69903 und 69905. Dieser Normungsraum<br />
soll zusammengefasst werden.<br />
Bedingungen:<br />
- Eine Zielvorgabe muss existieren.<br />
- Beginn und Ende des Projekts werden fest definiert.<br />
- Ein Projekt muss zeitlich, finanziell und personell oder <strong>and</strong>erweitig<br />
abgegrenzt sein.<br />
- Es muss ein abgrenzbares Einzelvorhaben gegenüber <strong>and</strong>eren<br />
Vorhaben <strong>da</strong>rstellen.<br />
- Die Organisation ist projektspezifisch.<br />
- Die Aufgabenstellung muss neuartig und komplex sein.<br />
- Verschiedene Disziplinen sind beteiligt.<br />
Das bedeutet:<br />
- Projekte sind mit der Zielerreichung abgeschlossen.<br />
- Ein Projekt besteht aus mehreren, mitein<strong>and</strong>er verbundenen<br />
Tätigkeiten, Aktivitäten, auch Tasks oder Vorgänge genannt.<br />
Sie müssen ausgeführt werden, um ein bestimmtes Ziel oder Teilziele<br />
zu erreichen. Dazu werden die Vorgänge in einer bestimmten<br />
Reihenfolge (Priorität) mit Hilfe der zugewiesenen Ressourcen<br />
(Einsatzmittel) wie Personen und Arbeitsmittel so abgearbeitet, <strong>da</strong>ss<br />
die Projektleitung die vorgegebenen Rahmenbedingungen wie Zeit,<br />
Budget und Ergebnis einhalten kann.
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
3 Projektarten<br />
Definition<br />
Merkmale:<br />
- Zeitliche Begrenzung<br />
- Zielvorgabe (Sach-, Termin-, Kostenziele, Meßbarkeit sowie<br />
Sonderziele)<br />
- Einmaligkeit (keine Routinearbeit)<br />
- Gliederung (Phasen, Teilschritte, Vorgänge/Arbeitspakete)<br />
- Projektspezifische Organisation<br />
Minos<br />
Für praktische Zwecke wird häufig als Unterscheidung nach den im<br />
Projekt zu erstellenden Objekten eine Grobteilung der Projektarten<br />
vorgenommen in:<br />
- Investitionsprojekt<br />
- Forschungs- und Entwicklungsprojekte<br />
- Organisationsprojekte<br />
Das ist vorteilhaft, weil für diese Projektarten auf existierende<br />
Stan<strong>da</strong>rdprojektphasenmodelle zurückgegriffen werden kann.<br />
Ein Projektphasenmodell ist die stan<strong>da</strong>rdisierte Darstellung eines<br />
Projektablaufes, gegliedert in zeitliche Abschnitte, die jeweils<br />
eindeutig bezeichnet werden können und ein wesentliches<br />
Teilergebnis des Gesamtprojektes abgeben.<br />
Eine <strong>and</strong>ere mögliche Einteilung ist:<br />
- Projekte an einem Arbeitssystem (organisatorische Art) z.B.:<br />
Einführung eines Qualitätsmanagement-Systems oder einer neuen<br />
EDV-Anlage<br />
- Projekte an einem Arbeitsgegenst<strong>and</strong> (technischer Art) z.B.:<br />
Entwicklung eines Prototypen<br />
- Projekte an der Betriebsstätte (Fertigungsanlagen, Fabrik) z.B.:<br />
Umstellung eines manuellen Lagersystems auf ein Vollautomat.<br />
Hochregallager<br />
9
10<br />
Minos<br />
3.1 Investitionsprojekte<br />
Definition<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Investitionsprojekte zeichnen sich durch vergleichweise hohe<br />
Kaufsummen hochwertiger Produkte aus.<br />
Diese Produkte weisen eine sehr lange Nutzungs<strong>da</strong>uer auf, und<br />
werden in der Regel nur einmalig angeschafft.<br />
Typische Bereich für Investitionsprojekte sind <strong>da</strong>her Immobilien, große<br />
technische Anlagen, alle Arten spezieller Anfertigungen mit hohem<br />
individuellen Zielkundenbezug. Investitionsprojekte müßen auf Grund<br />
ihrer Größe und finanziellen Tragweite für <strong>da</strong>s Unternehmen besonders<br />
sorgfältig geplant und durchgeführt werden. Im Gegensatz zu<br />
Forschungs- und Entwicklungsprojekten h<strong>and</strong>elt es sich bei<br />
Investitionsprojekten immer um Kauflösungen, bei denen vom<br />
Projektteam nur über angebotene Modifikationen entschieden wird. Eine<br />
Veränderung des Investitionsobjektes erfolgt <strong>da</strong>bei nicht.<br />
Investitionsprojekte erfordern ein erweitertes Projektteam (sie Kapitel<br />
7, Projektteam).<br />
3.2 Forschungs- und Entwicklungsprojekte<br />
Definition<br />
Forschungs- und Entwicklungsprojekte stellen die planungs- und<br />
steuerungsintensivste Form des Projektmanagements <strong>da</strong>r.<br />
Ein Forschungs- und Entwicklungsprojekt ist durch die<br />
Zielstellung der Entwicklung eines neuen Verfahrens, eines neuen<br />
Systems oder einer neuen Anwendung gekennzeichnet.<br />
Dabei steht die Umsetzung des Ergebnisses als industrielles Erzeugnis,<br />
als Verfahren oder als Software oder Struktur im Vordergrund.<br />
Forschungs- und Entwicklungsprojekte werden am häufigsten in den<br />
Forschungs- und Entwicklungsbereichen von Unternehmen<br />
durchgeführt. Dazu können in der Industrie neben der Konstruktion neuer<br />
Fahrzeuge auch Entwicklungen neuer Baumaterialien zählen.<br />
Besonders in den spezialisierten Instituten der angew<strong>and</strong>ten Forschung<br />
(in Deutschl<strong>and</strong> der Fraunhofer Gesellschaft) werden meist durch einen<br />
Mitarbeiter parallel mehrere Forschungs- und Entwicklungsprojekte<br />
realisiert. Dabei kann ein Mitarbeiter in verschiedenen Projekten<br />
verschiedene Positionen einnehmen. Besonders bei Forschungs- und<br />
Entwicklungsprojekte ist die häufige Abstimmung des Projektverlaufes<br />
wichtig.<br />
Da <strong>da</strong>s gesamte Projektteam (siehe Kapital 7, „Projektteam“) auf die<br />
Ergebnisse der <strong>and</strong>eren Projektteilnehmer zurückgreift, müssen<br />
richtunggebende Entscheidungen durch <strong>da</strong>s gesamte Team getroffen<br />
werden. Eine spätere Veränderung der eingeschlagenen Richtung ist<br />
nur mit großem Aufw<strong>and</strong> möglich
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
3.3 Organisationsprojekte<br />
Definition<br />
Wichtig<br />
Organisationsprojekte zählen zu den häufigsten Projekten.<br />
Minos<br />
Organisationsprojekte sind durch ihre Anwendung auf einen<br />
Ablauf innerhalb einer Organisationsstruktur oder<br />
Organisationsstruktur übergreifend mit dem Ziel, Ressourcen<br />
einer Organisationsstruktur für einen bestimmten Zeitraum zur<br />
Erreichung eines bestimmten Zieles zu lenken und zu steuern<br />
gekennzeichnet.<br />
Dabei werden die verwendeten Ressourcen für den Zeitraum der<br />
Projektdurchführung zum Teil der bestehenden Organisationsstruktur<br />
entzogen. Organisationsprojekte haben konkrete Tätigkeiten von<br />
Menschen zum Inhalt. Dabei kann es sich um die Errichtung einer Brücke<br />
ebenso h<strong>and</strong>eln, wie um die Durchführung eines Umzuges einer<br />
Verwaltung von einem Gebäude in ein Anderes. Organisationsprojekte<br />
sind in der Regel gut planbar.<br />
Im Gegensatz zu Forschungs- und Entwicklungsprojekten besteht bei<br />
Organisationsprojekte der Abstimmungsbe<strong>da</strong>rf am Beginn des Projektes.<br />
Bei guter Planung am Projektbeginn (siehe Kapitel 5, „Ein Projekt und<br />
seine Phasen“) reichen wenige Statusbesprechungen während der<br />
Projektlaufzeit aus.<br />
Diese Statusbesprechungen halten lediglich den St<strong>and</strong> der Umsetzung<br />
fest und greifen nur im Notfall in den Projektablauf ein.<br />
Organisationsprojekte sind finanziell meist unkritisch, <strong>da</strong> vor<br />
Projektausführung Angebote und verbindliche Zusagen über die<br />
benötigten Kapazitäten eingeholt werden.<br />
Wichtig ist die Einbindung der Leitungsebenen bei<br />
organisationsstrukturübergreifenden Projekten.<br />
Diese Einbindung kann häufig auftretende Abstimmungsprobleme<br />
verschiedener Institutionen und Bereiche verhindern. Im Projektteam<br />
sollten <strong>da</strong>her immer Personen mit Entscheidungskompetenz aller<br />
Bereiche und Institutionen eingebunden werden, auch wenn diese bei<br />
der operativen Umsetzung des Projektes nicht mitwirken.<br />
11
12<br />
Minos<br />
3.4 Projektstrukturplan<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Die Planung eines Projektes ist ein wesentlicher Best<strong>and</strong>teil des<br />
Projekterfolges. Häufig treffen Mitarbeiter unterschiedlichster Bereiche<br />
zum ersten Mal in einem Projektteam aufein<strong>and</strong>er und verfügen über<br />
wenig Erfahrung einer Projektdurchführung. Um diesem Umst<strong>and</strong> zu<br />
begegnen, ist es sinnvoll, graphisch den gesamten Projektverlauf<br />
abzubilden. Ebenso können Projektphasen abhängig sein von<br />
Vorgelagerten Projektabschnitten. Dann verzögert die Fertigstellung des<br />
bedingenden Abschnittes den Folgeabschnitt (siehe <strong>da</strong>zu Kapitel 8,<br />
„Projektplanung“).<br />
Abb. 1: Projektstrukturplan<br />
3.5 Besonderheiten im Internationalen Projektmanagement<br />
3.5.1 Ziele einer Internationalisierung<br />
Entscheidet sich ein Unternehmen für den Schritt in <strong>da</strong>s Ausl<strong>and</strong>, und<br />
<strong>da</strong>mit für die Ausweitung der Geschäftätigkeit über die Grenzen des<br />
Heimatl<strong>and</strong>es hinaus, sind <strong>da</strong>zu definierbare Ziele ausschlaggebend.<br />
Dabei gilt für Internationalisierungsziele - wie für Unternehmensziele<br />
allgemein - <strong>da</strong>ss sie erst <strong>da</strong>nn die Grundlage einer Erfolgsbeurteilung<br />
internationaler Aktivitäten bilden können, wenn sie entsprechend<br />
operationalisiert werden, und zwar hinsichtlich des:
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Minos<br />
- Content (Was soll durch die Geschäftstätigkeit im Ausl<strong>and</strong> erreicht<br />
werden?),<br />
- Umfang (Wie viel soll angestrebt werden?),<br />
- temporäre Einordnung (Zu welchem zeitpunkt soll <strong>da</strong>s Ziel erreicht<br />
werden?)<br />
- Segmentbezuges (In welchen Ländergruppen soll <strong>da</strong>s Ziel erreicht<br />
werden, beziehungsweise h<strong>and</strong>elt es sich um länderübergreifende<br />
oder länderspezifische Ziele?).<br />
3.5.2 Typen von Internationalisierungszielen<br />
Grundsätzlich kann man Ziele einer Geschäftstätigkeit im Ausl<strong>and</strong> in<br />
Gruppen klassifizieren. Die Kriterien <strong>da</strong>zu können beispielsweise wie<br />
folgt angenommen werden:<br />
- die Einteilung in ökonomische und nicht-ökonomische Ziele ebenso<br />
Verwendung finden wie<br />
- die Differenzierung von Zielen defensiven oder offensiven<br />
Ursprungs und<br />
- die Abgrenzung zwischen ressourcenorientierten,<br />
produktionsorientierten und marktorientierten<br />
Internationalisierungszielen.<br />
3.5.2.1 Ökonomische und nicht- ökonomische Ziele einer Internationalisierung<br />
Als typisches ökonomisches Ziel internationaler Geschäftstätigkeit ist<br />
<strong>da</strong>s Streben nach Gewinnerzielung zu bezeichnen, wobei durch <strong>da</strong>s<br />
Ausl<strong>and</strong>sgeschäft insbesondere der Ausgleich negativer Effekte<br />
inländischer Konjunkturzyklen angestrebt wird. Das Streben nach<br />
Gewinnerzielung liegt zum Beispiel folgenden Aktivitäten zu Grunde:<br />
- Export ins Ausl<strong>and</strong>, falls die Produktion im Heimatmarkt<br />
kostengünstig ist.<br />
- Auslagerung der Produktion in kostengünstigere Länder, falls sich<br />
der Preis zur Erhaltung der Gewinnspanne nicht anheben lässt.<br />
- Auflage höherer Serien durch Ausl<strong>and</strong>sverkauf, <strong>da</strong>durch<br />
Degressionseffekte in der Produktion, Preisreduzierung möglich.<br />
- Abschöpfung von Konsumentenrenten in Ländern, in denen <strong>da</strong>s<br />
angebotene Produkt eine Innovation ist.<br />
13
14<br />
Minos<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
- Stabilisierung des Gesamt-Unternehmensumsatzes durch<br />
Belieferung mehrere Märkte, die nicht den gleichen<br />
Konjunkturzyklen unterliegen.<br />
Weitere ökonomische Ziele sind mit sicherungs- und<br />
wachstumsorientierten Zielen gegeben, bei denen der Ausgleich eines<br />
inländischen Marktanteilsverlusts oder die Teilhabe am dynamischen<br />
Wachstum von Ausl<strong>and</strong>smärkten und <strong>da</strong>mit eine Umsatzorientierung<br />
im Vordergrund steht.<br />
Unternehmenssicherungsorientierte Ziele werden unter <strong>and</strong>erem<br />
durch folgende Maßnahmen verfolgt beziehungsweise lassen sich<br />
durch folgende Zielinhalte au drücken:<br />
- Begegnung von Verlustgefahren im Inl<strong>and</strong>, zum Beispiel durch<br />
unvorhergesehene Verkürzung des Produktlebenszyklus.<br />
- Erhaltung und Ausbau bestehender Marktpositionen im Ausl<strong>and</strong><br />
durch stärkere Engagement.<br />
- Ausgleich für durch <strong>da</strong>s Auftreten von Konkurrenz im Inl<strong>and</strong><br />
reduzierte Marktanteile.<br />
- Folgen des Hauptabnehmers ins Ausl<strong>and</strong>.<br />
Wachstumsorientierte Ziele äußern sich:<br />
- in der Ausdehnung und Verlängerung des Produktlebenszyklus von<br />
Produkten.<br />
- in der Teilnahme am dynamischen Wachstum von<br />
Ausl<strong>and</strong>smärkten,<br />
- in der Erreichung von Wachstumszielen, die zum Beispiel wegen<br />
wettbewerbs rechtlicher Vorschriften im Inl<strong>and</strong> nicht erreicht werden<br />
können, und<br />
Wichtige nicht-ökonomische Ziele der Internationalisierung bestehen in<br />
Prestigestreben oder in der Verfolgung von Einfluss- und<br />
Machtbedürfnissen.
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
3.5.2.2 Defensive und offensive Ziele der Internationalisierung<br />
Defensive Ziele<br />
Minos<br />
Die Internationalisierung hat einen defensiven Charakter, wenn ein<br />
Unternehmen zur Stabilisierung seiner gefährdeten Marktposition die<br />
Ausl<strong>and</strong>sproduktion aufnimmt oder der Konkurrenz ins Ausl<strong>and</strong> folgt,<br />
um Wettbewerbsnachteile auszugleichen.<br />
Offensive Ziele<br />
Offensive Internationalisierungsziele verfolgen hingegen jene<br />
Unternehmen, die Wettbewerbsvorteile, welche zum Beispiel in Form<br />
von Technologievorsprüngen bestehen können, im internationalen<br />
Vergleich nutzen wollen oder die eine Verlängerung der Lebenszyklen<br />
ihrer Produkte anstreben.<br />
3.5.2.3 Ressourcenorientierte, Produktionsorientierte und Absatzorientierte Ziele<br />
Ressourcenorientierte Internationalisierungsziele sind in der Sicherung<br />
der Versorgung mit Rohstoffen gegeben.<br />
Produktionsorientierte Aspekte stehen im Vordergrund, wenn <strong>da</strong>von<br />
ausgegangen wird, <strong>da</strong>ss die Leistungserstellungsprozesse im Ausl<strong>and</strong><br />
kostengünstiger ablaufen können.<br />
Absatzorientierte Ziele liegen beispielsweise vor, wenn ein Unternehmen<br />
seinen Hauptabnehmern ins Ausl<strong>and</strong> folgt.<br />
15
16<br />
Minos<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
3.5.3 Einflüsse der Soziologie im Internationalen Projektmanagement<br />
Definition<br />
Definition<br />
Im Dialog verschiedener Kulturen ist <strong>da</strong>s Verständnis der Unterschiede<br />
eine wichtige Voraussetzung für eine gemeinsame und erfolgreiche<br />
Projektdurchführung. Dazu zählt nicht zuletzt die Kommunikation auf<br />
menschlicher Ebene. Diesem Fachgebiet nähert sich der Bereich der<br />
Soziologie (siehe auch MINOS-<strong>Modul</strong> „Sozialverhalten, Interkulturelle<br />
Kompetenzen“).<br />
Die Soziologie (Kunstwort aus dem lateinischen socius<br />
„Gefährte“ und dem griechischen, lógos „Wort“) beschreibt<br />
und untersucht die Struktur-, Funktions- und<br />
Entwicklungszusammenhänge der Gesellschaft.<br />
Die Kenntnis der soziologischen Rahmenbedingungen erfüllt eine<br />
wichtige integrative Komponente in den Anwendungsbereichen des<br />
Projektmanagement, so zum Beispiel:<br />
- der Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen<br />
- Aufgaben der Fehlersuche im Havariefall<br />
- der Koordination internationaler Projektteams<br />
- der Führung von Verh<strong>and</strong>lungen<br />
Dazu ist neben fachlichen Anforderungen auch ein starkes Maß an<br />
Frustrationstoleranz notwendig, also die individuelle Fähigkeit,<br />
Enttäuschungen zu kompensieren oder Bedürfnisse aufzuschieben,<br />
ohne <strong>da</strong>bei in Aggression oder Depression zu verfallen.<br />
Internationales Projektmanagement schließt aber auch die Möglichkeit<br />
einer ständig aktuellen und hochinteressanten Arbeitsumgebung ein.<br />
Der Problematik des Dialoges verschiedener Kulturen widmet sich <strong>da</strong>s<br />
Fachgebiet der Mentalitätenforschung.<br />
Mentalität (lat. Mens, Geist) bezeichnet vorherrschende<br />
Denk- und Verhaltensmuster innerhalb einer Gruppe von<br />
Menschen (z. B. einer Bevölkerungsgruppe eines L<strong>and</strong>es<br />
oder einer Berufsgruppe).<br />
So kann eine solche Gruppe z. B. insgesamt eher aufgeschlossen,<br />
misstrauisch, bodenständig etc. sein. Die Wahrnehmung dieser<br />
Denkmuster durch Außenstehende ist oft Anlass für<br />
Verallgemeinerungen, die sich in Klischees, Vorurteilen und Stereotypen<br />
ausdrücken. Andererseits kann der Begriff Mentalität auch als Grundlage<br />
für ein Normverhalten in gesellschaftlichen Gruppierungen verwendet<br />
werden.
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
4 Planungs- und Zielhorizonte des Projektmanagement<br />
4.1 Operatives Projektmanagement<br />
Definition<br />
4.2 Taktisches Projektmanagement<br />
Definition<br />
4.3 Strategisches Projektmanagement:<br />
Definition<br />
Minos<br />
Das Operative Projektmanagement stellt <strong>da</strong>s klassische, auf <strong>da</strong>s<br />
Projekt bezogene (ausführende) Projektmanagement <strong>da</strong>r.<br />
Der Einsatz- und Planungshorizont ist dem Planungshorizont üblicher<br />
betrieblicher Aufgaben und Abläufe äquivalent. Üblicherweise werden<br />
im Rahmen eines Operativen Projektmanagement alle drei Arten von<br />
Projekten umgesetzt (Investitionsprojekt, Organisationsprojekte,<br />
Forschungs- und Entwicklungsprojekte).<br />
Im Gegensatz zum operativen Projektmanagement sind die Initiatoren<br />
des Taktischen Projektmanagement im mittleren Management zu finden.<br />
Das Taktische Projektmanagement hat somit Veränderungen auf<br />
Abteilungsebene zum Inhalt, und beschäftigt sich nicht mit der<br />
Umsetzung operativer betrieblicher Ziele.<br />
Hierbei kann zum Beispiel die Einführung neuer EDV in einem<br />
Unternehmensbereich, die Verschmelzung zweier Abteilungen oder die<br />
Umstrukturierung der Unternehmensorganisation im Mittelpunkt stehen.<br />
Das Strategische Projektmanagement stellt ein grundsätzliches<br />
Führungsinstrument in der spezifischen Unternehmens- und<br />
Führungsorganisation der jeweiligen Firma <strong>da</strong>r.<br />
Das Strategische Projektmanagement stellt ein Bindeglied <strong>da</strong>r,<br />
zwischen strategischen Unternehmenszielen und dem Operativen<br />
Projektmanagement. Das Strategische Projektmanagement<br />
schafft <strong>da</strong>mit den Rahmen, in dem eine Vielzahl von Projekten<br />
nach klar definierten Regeln effizient abgewickelt werden kann.<br />
Zweck des Strategischen Projektmanagements ist die Überwindung von<br />
Mängeln konventioneller und hierarchischer Organisationen durch<br />
systematisches Herangehen insbesondere bei:<br />
- der Reaktion auf organisationsübergreifende Problemstellungen<br />
- der Entscheidungsfindung<br />
- der Konfliktbewältigung.<br />
17
18<br />
Minos<br />
5 Ein Projekt und seine Phasen<br />
Definition<br />
Definition<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Projekte werden häufig in Phasen aufgeteilt, welche die iterative<br />
Vorgehensweise im Projektmanagement unterstreichen. Üblicherweise<br />
enden die Projektphasen mit definierten Meilensteinen. Phasenmodelle<br />
sind meistens sehr spezifisch und am zu erstellenden Projektprodukt<br />
oder der Branche orientiert.<br />
Als Meilenstein wird ein definierter Arbeitsst<strong>and</strong> bzw. <strong>da</strong>s Ende<br />
der Umsetzung einer Projektphase benannt. Dieser Meilenstein ist<br />
terminlich festgelegt, und stellt für alle Beteiligten einen<br />
Prüfpunkt in der Projektumsetzung <strong>da</strong>r. Wurden Teilergebnisse<br />
nicht fristgerecht erreicht oder stehen Ergebnisse aus, bzw. sind<br />
diese fehlerhaft, so wird je nach Projektplan die weitere<br />
Projektdurchführung ausgesetzt bis die Mängel behoben wurden.<br />
Meilensteine sind <strong>da</strong>her ein sehr wichtiges Instrument bei der<br />
Projektplanung. Zu häufiger Ansatz von Meilensteinen kann <strong>da</strong>her den<br />
reibungslosen Projektablauf durch hohen Beratungsaufw<strong>and</strong> behindern.<br />
Zu wenige Meilensteine bergen <strong>da</strong>s Risiko von nicht wahrgenommenen<br />
Fehlern in sich. Online geführte Projektpläne, also Projektpläne, in denen<br />
tagesaktuell der Arbeitsst<strong>and</strong> jedes Beteiligten geprüft werden kann,<br />
sind für den Projektleiter die sicherste Form einer effizienten<br />
Projektverfolgung.<br />
Es können neun Phasen eines Projektes definiert werden.<br />
Dabei ist eine Projektphase ein zeitlicher Abschnitt eines<br />
Projektablaufes, die sachlich gegenüber <strong>and</strong>eren Abschnitten<br />
getrennt wird.<br />
- Projektidee und Projektauslösung<br />
- Zieldefinition und Projektdefinition<br />
- Machbarkeitsstudie<br />
- Projektauftrag und Kick Off<br />
- Grobliederung und Definition der Projektaufgaben<br />
- Feinstrukturierung<br />
- Projektplanung<br />
- Projektüberwachung<br />
- Projektauswertung
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
5.1 Projektidee und Projektauflösung<br />
Wichtig<br />
5.2 Zieldefinition und Projektdefinition<br />
Wichtig<br />
5.3 Machbarkeitsstudie<br />
Wichtig<br />
Minos<br />
Im Folgenden soll nun auf die einzelnen Projektphasen detailliert<br />
eingegangen werden. Zu Beachten ist <strong>da</strong>bei, <strong>da</strong>s nicht jedes Projekt<br />
zwingend alle Projektphasen beinhalten muss. Auch die Ausprägung<br />
der einzelnen Projektphasen ist von Projekt zu Projekt verschieden. Die<br />
Gliederung der Projektphasen ist somit als eine Richtlinie zu verstehen,<br />
die in ihrer Reihenfolge nicht verändert werden kann, wohl aber in ihrer<br />
Ausprägung. Die vollständige Bearbeitung aller Phasen stellt aber die<br />
sicherste Projektdurchführung <strong>da</strong>r.<br />
Wichtig ist, <strong>da</strong>ss die Planung der Projektphasen vom Projektleiter<br />
durchgeführt wird. Dabei muss bei den einzelnen Phasen, zum Beispiel<br />
der Terminplanung, die Integration aller Projektteammitglieder erfolgen.<br />
Besonders <strong>da</strong>s Risikomanagement stellt ein Instrument zur Fehler-<br />
Prävention <strong>da</strong>r.<br />
Das Projekt wird durch eine Idee, eine Problemstellung, eine Anfrage<br />
oder als Folge eines übergeordneten Projekts ausgelöst. In dieser Phase<br />
finden erste Gespräche über Sinn und Nutzen statt. Auch erste Kontakte<br />
zu wichtigen zukünftigen Projektansprechpartnern und Entscheidern<br />
kommen jetzt zust<strong>and</strong>e.<br />
In dieser Phase werden Sachziele, Terminziele, Kostenziele und<br />
eventuelle Sonderziele definiert. Es entstehen ein Plan und ein<br />
Pflichtenheft, in dem die Ziele so exakt definiert werden, <strong>da</strong>ss eine<br />
Aufstellung von notwendigen Aufgaben und benötigten Ressourcen<br />
(Personen, Arbeitsmittel) möglich ist. Ein Kostenbudget wird festgelegt.<br />
Insbesondere bei größeren Projekten ist es notwendig, vorab zu klären,<br />
ob ein Projekt wie dieses anh<strong>and</strong> vorgegebener Ziele wirklich realisierbar<br />
ist. Das Unternehmen kann beispielsweise eine Machbarkeitsstudie in<br />
Auftrag geben, oder es kann anh<strong>and</strong> einer Expertenbefragung<br />
herausfinden, was funktionieren könnte und was nicht.<br />
Diese Phase ist sehr wichtig, denn zu diesem Zeitpunkt kann noch im<br />
Vorfeld die Gefahr von Konflikten beim Projektablauf reduziert werden,<br />
indem die Möglichkeiten zur Zielerreichung vollständig geprüft werden.<br />
19
20<br />
Minos<br />
5.4 Projektauftrag und Kick Off<br />
Wichtig<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Der Auftraggeber gibt jetzt den Projektauftrag. Dann bestimmt die Firma<br />
den Projektleiter und gründet ein Projektteam. Im so genannten Kick-<br />
Off werden alle Projektinformationen von allen möglichen Stellen an<br />
<strong>da</strong>s Team weitergeleitet. Alle Beteiligten erarbeiten gemeinsam die<br />
Arbeitsweise und legen sie verbindlich fest.<br />
5.5 Grobgliederung und Definition der Projektaufgaben<br />
Wichtig<br />
5.6 Feinstrukturierung<br />
Wichtig<br />
Nun wird <strong>da</strong>s gesamte Projekt in einzelne Schritte unterteilt. Je nach<br />
Projektgröße h<strong>and</strong>elt es sich um ein Teilprojekt oder um<br />
Sammelvorgänge. Wichtig ist, <strong>da</strong>ss die Teileinheiten in sich<br />
abgeschlossen sind. Das Ende einer solchen Teileinheit wird als<br />
Meilenstein bezeichnet. Bei der Gliederung muss der Projektleiter <strong>da</strong>rauf<br />
achten, <strong>da</strong>ss es keine personellen oder inhaltlichen Überschneidungen<br />
gibt.<br />
Die Sammelvorgänge werden in dieser Phase in einzelne<br />
Arbeitseinheiten, die so genannten Vorgänge, unterteilt. Wie grob oder<br />
fein diese Unterteilung ist. hängt von der Projektart. den<br />
Projektmitarbeitern und den Kontrollmöglichkeiten während des Ablaufs<br />
ab.<br />
Die Ablauf- und Terminplanung liefert also gewissermaßen den Fahrplan<br />
für die Projektdurchführung. Darüber hinaus bildet die Ablauf- und<br />
Terminplanung mit den von ihr bereitgestellten Informationen die<br />
entscheidende Grundlage für viele weitere Planungen und die<br />
Beantwortung zahlreicher Fragen bei der Projektbeurteilung. Hierzu<br />
gehören:<br />
- An welchen Stellen des Projekts gibt es ablauftechnologische<br />
Freiheiten oder Unsicherheiten, aus denen sich welche<br />
Konsequenzen ergeben können?<br />
- Wo und in welcher Größenordnung liegen zeitliche Unsicherheiten<br />
vor, aus denen sich auch hier welche Konsequenzen ergeben<br />
könnten?<br />
- Welche wichtigen Ereignisse - sog. Meilensteine - sind während der<br />
Projektdurchführung zu welchen Terminen zu beobachten?<br />
- Wann (und in welcher Größenordnung) fallen bei der<br />
Projektdurchführung Kosten und Ausgaben an, aus deren Kenntnis<br />
Finanzierungshinweise abgeleitet werden müssen?<br />
- Wann müssen in welcher Menge und von welcher Art Ressourcen<br />
(wie z. B. Personal, Maschinen, Werkzeuge, Betriebsmittel,<br />
Anlagen und Geräte, aber auch Verbrauchsstoffe) bereitgestellt<br />
werden, <strong>da</strong>mit der Terminplan eingehalten werden kann?
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
5.7 Projektplanung<br />
Wichtig<br />
Minos<br />
Der Terminplan ist die wesentliche Planungsvorgabe für alle<br />
Projektarbeiter. Er dient gleichzeitig als Meßlatte für die Beurteilung des<br />
Projektfortschritts während der Durchführung.<br />
Jetzt müssen die chronologischen Abhängigkeiten zwischen den<br />
einzelnen Arbeitsschritten festgelegt werden.<br />
=> Ablaufplanung<br />
- So kann etwa Vorgang vier erst ablaufen, nachdem Vorgang zwei<br />
zu Ende ist, aber gleichzeitig mit Vorgang drei. In dieser Phase<br />
erhält jeder Arbeitsschritt aufgrund der Feinstrukturierung folgende<br />
Zuordnungen:<br />
- Zeitliche Dauer für jeden Arbeitsschritt<br />
=> Terminplanung<br />
- Benötigte Ressourcen (Personal u. Arbeitsmittel)<br />
=> Ressourcenpianung<br />
- Daraus resultierende Kosten<br />
=> Kostenplanung<br />
In dieser Planungsphase können folgende Konflikte auftauchen, die<br />
gelöst werden müssen:<br />
- Terminüberschneidungen<br />
- Ressourcenengpässe durch Doppelvergabe von Aufgaben<br />
Die Projektplaner sollten Reservezeiten für mögliche Probleme vorsehen.<br />
Als weiteres Ergebnis der Projektplanung können Ziele auch angepasst<br />
und verändert werden, wenn die Erkenntnisse aus der Planung <strong>da</strong>für<br />
sprechen.<br />
21
22<br />
Minos<br />
5.8 Projektüberwachung<br />
Wichtig<br />
5.9 Projektauswertung<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Nach Beginn der Umsetzung ist es Aufgabe des Projektleiters, jeden<br />
Fortschritt zu überwachen. Bei allen Verschiebungen zeitlicher oder<br />
sachlicher Art oder bei den Kosten muss der Projektleiter den Projektplan<br />
überarbeiten. Regelmäßig finden Meetings zur Abstimmung statt. Der<br />
Projektleiter berichtet auch in festen Abständen über den Projektfortschritt<br />
an den Auftraggeber. Konfliktsituationen treten meist in dieser Phase<br />
am stärksten auf. Hier ist der volle Einsatz des Projektleiters gefragt.<br />
Nachdem der Auftraggeber <strong>da</strong>s Endergebnis abgenommen hat, sollte<br />
eine komplette Prüfung des Projekts unter folgenden Gesichtspunkten<br />
stattfinden:<br />
5.10 Projektmanagement Prozessgruppen<br />
- Wurden die Ziele (Sache, Dauer, Kosten) erreicht?<br />
- Wie stark waren die Abweichungen vom Projektplan?<br />
- War die Planung zu optimistisch?<br />
- War der Ablauf optimal gestaltet?<br />
- Haben die Beteiligten auf Konflikte richtig reagiert?<br />
- Wie hat die Kommunikation im Team und zum Auftraggeber<br />
geklappt?<br />
- Wie war <strong>da</strong>s Arbeitsklima?<br />
- Ist die Projektdokumentation als Erfahrungsbasis sinnvoll und<br />
ausreichend?<br />
Werden die Projektmanagementprozesse von den Projektphasen<br />
abstrahiert, <strong>da</strong>nn lassen sich die Projektmanagementprozesse in<br />
Prozessgruppen zusammenfassen.<br />
Folgende Prozeßgruppen können <strong>da</strong>bei gebildet werden:<br />
- Prozessgruppe Initiierung<br />
- Prozessgruppe Planung<br />
- Prozessgruppe Ausführung<br />
- Prozessgruppe Steuerung<br />
- Prozessgruppe Abschluss
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
5.10.1 Prozessgruppe Initiierung<br />
Definition<br />
Wichtig<br />
5.10.2 Prozessgruppe Planung<br />
Definition<br />
Minos<br />
In der Prozessgruppe Initiierung steht der Initiierungsprozess. Er wird<br />
zum Projektstart und <strong>da</strong>nn wieder zum Start jeder Projektphase<br />
durchlaufen.<br />
Wichtige Ziele der Initiierung sind:<br />
- Verteilung der notwendigen Informationen, <strong>da</strong>mit wir von Anfang an<br />
effektiv/effizient arbeiten.<br />
- Nachlässigkeiten in frühen Projektphasen führen später zu (teuren)<br />
Schwierigkeiten, <strong>da</strong>her werden die Ziele und die Arbeitsweise der<br />
jeweiligen Projektphase geklärt.<br />
- Die Informationen über <strong>da</strong>s Projekt werden ausgetauscht und unter<br />
den Stakeholdern angeglichen.<br />
- Das Projekt, bzw. die nächste Projektphase wird in allen Teilen und<br />
Zusammenhängen betrachtet (nicht in allen Details).<br />
- Es soll eine Übereinstimmung aller Beteiligten zu allen Fragen<br />
möglichst früh erreicht werden.<br />
Wie bei allen Prozessgruppen wiederholen sich die Prozesse und<br />
interagieren mitein<strong>and</strong>er. Die sequentielle Darstellung ist eine<br />
Vereinfachung.<br />
Unter Planung werden alle Prozessschritte zur Planung des Projekts<br />
oder zur Detailierung der jeweiligen Projektphase zusammengefasst.<br />
Ggf. werden H<strong>and</strong>lungsalternativen geprüft und ausgewählt. Die<br />
wichtigsten Projektmanagementprozesse in der Prozessgruppe Planung<br />
sind:<br />
- Planung Inhalt und Umfang<br />
- Definition Inhalt und Umfang<br />
- Definition der Vorgänge<br />
- Festlegen der Vorgangsfolgen<br />
- Einsatzmittelbe<strong>da</strong>rfsplanung<br />
- Schätzung der Vorgangs<strong>da</strong>uern<br />
- Kostenschätzung<br />
- Risikomanagementplanung<br />
- Entwickeln des Terminplans<br />
- Kostenplanung<br />
- Zusammenstellung des Projektplans<br />
Hierzu gibt es noch eine Reihe von Hilfsprozessen, wie Qualitätsplanung,<br />
Beschaffungsplanung, usw.<br />
23
24<br />
Minos<br />
5.10.3 Prozessgruppe Ausführung<br />
Definition<br />
5.10.4 Prozessgruppe Steuerung<br />
Definition<br />
5.10.5 Prozessgruppe Abschluss<br />
Definition<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Unter Ausführung versteht man die Koordination der Mitarbeiter und<br />
<strong>and</strong>erer Ressourcen und deren Zuordnung zu den Vorgängen im<br />
Projektplan, <strong>da</strong>mit <strong>da</strong>s Projektziel erreicht wird. Hierzu gehören Prozesse,<br />
wie die Arbeitspaketfreigabe. Unterstützt wird die Ausführung von<br />
Hilfsprozessen, wie Qualitätssicherung, Informationswesen,<br />
Teamentwicklung oder Lieferantenauswahl, usw..<br />
Diese Prozessgruppe beschäftigt sich mit der kontinuierlichen<br />
Überwachung der Zielerreichung im Projekt. Interessanterweise wäre<br />
<strong>da</strong>s englischsprachige „control processes“ in der deutschen PMBOK<br />
Guide version besser als „Kontrolle“ anstatt als Steuerung übersetzt<br />
worden. (Was wörtlich gesehen natürlich falsch gewesen wäre.) In der<br />
Prozessgruppe Steuerung gibt es zwei Hauptprozesse:<br />
- Berichtswesen, zur Sammlung und Verteilung<br />
(Stakeholderorientierung!) der Projektleistung und<br />
- die integrierte Änderungssteuerung, um die Änderungen zu<br />
koordinieren<br />
Die Hauptprozesse werden durch eine Vielzahl von Hilfsprozessen<br />
unterstützt; <strong>da</strong>zu gehören Abnahmeprozesse für Anforderungen und<br />
<strong>and</strong>ere Ergebnistypen, Termin- und Kostensteuerung und<br />
Risikoüberwachung.<br />
Die abschließenden Prozesse beschäftigen sich mit Vertragsbeendigung<br />
und dem administrativen Abschluss des Projekts.<br />
Bei ersterem muss <strong>da</strong>für gesorgt werden, <strong>da</strong>ss die Verträge alle<br />
ordentlich beendet und bezahlt werden, beim administrativen Abschluss<br />
geht es um die interne Beendigung des Projekts im Unternehmen. Hierzu<br />
gehören Abschlussbericht, Lessons Learned Workshops und - nach PMI<br />
ganz wichtig - die Befüllung der „Datenbank mit historischen<br />
Projekt<strong>da</strong>ten“, um <strong>da</strong>s erworbene Wissen auch zukünftigen Projekten<br />
(und Projektmanagern) zur Verfügung zu stellen.
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
6 Projektorganisation<br />
6.1 Reine Projektorganisation<br />
Definition<br />
Minos<br />
Die Auswahl des Projektverantwortlichen und der Projektmitglieder ist<br />
von wesentlicher Bedeutung für den Erfolg eines Projekts. Auch eine<br />
Entscheidung über die Organisationsform des Projekts muss vorliegen.<br />
Folgende Organisationsformen bieten sich grundsätzlich an:<br />
Häufig wird diese Organisationsform bei sehr großen Projekten<br />
eingesetzt. Das Projektteam wird eigens aus den Linienorganisations-<br />
Abteilungen heraus gegründet. Die Projektmitarbeiter sind dem<br />
Projektleiter unterstellt. Dieser besitzt volle Entscheidungsbefugnis und<br />
hat die Verantwortung für <strong>da</strong>s Projekt.<br />
Vorteile:<br />
Der Projektleiter hat alle Kompetenzen. Dadurch ist die Verantwortung<br />
eindeutig geregelt und <strong>da</strong>s Projekt kann effizient ablaufen. Bei Konflikten<br />
können diejenigen, die <strong>da</strong>nn vermitteln müssen, schnell reagieren, <strong>da</strong><br />
die Kommunikationswege kurz sind. Alle Projektmitglieder identifizieren<br />
sich stark mit dem Projekt. Eine Konsequenz ist hohe Motivation.<br />
Nachteile:<br />
Beim Zusammenstellen der Projektmitglieder ist der Projektleiter von<br />
der Kooperationsbereitschaft der Linienorganisation abhängig. Die<br />
Ersatzmitarbeiter für die definierten Projektmitglieder müssen bestimmt<br />
werden. Bei der Reintegration der Projektmitarbeiter nach Abschluss<br />
des Projekts in die Linienorganisation kann es zu Problemen kommen.<br />
Das heißt: Einerseits entsteht auf Seiten des Projekts ein Know-how-<br />
Verlust. Andererseits haben die ehemaligen Projektmitglieder häufig<br />
Probleme, sich wieder in die Linienorganisation einzuordnen. Zusätzlich<br />
besteht die Gefahr, <strong>da</strong>ss <strong>da</strong>s Team isoliert <strong>da</strong>steht und es an der<br />
Zusammenarbeit mit den Fachabteilungen mangelt.<br />
Abb. Reine Projektorganisation<br />
25
26<br />
Minos<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
6.2 Stabsorganisation (Projektkoordination)<br />
Definition<br />
Die funktionale Organisationsstruktur bleibt bei diesem Ansatz erhalten.<br />
Sie wird lediglich durch eine Stabsfunktion, einen Projektkoordinator,<br />
ergänzt. Der Projektkoordinator besitzt aber nur beratende Funktion.<br />
Vorteile:<br />
6.3 Matrixorganisation<br />
Definition<br />
Ein hohes Maß an Flexibilität hinsichtlich des Personaleinsatzes, <strong>da</strong> die<br />
Mitarbeiter in verschiedenen Projekten gleichzeitig eingesetzt werden<br />
können. Der Austausch von Informationen und Erfahrungen funktioniert<br />
relativ einfach.<br />
Es sind meistens keine organisatorischen Umstellungen erforderlich.<br />
Nachteile:<br />
Niem<strong>and</strong> fühlt sich für <strong>da</strong>s Gesamtprojekt verantwortlich. Die<br />
Reaktionszeit bei Störungen ist lang. Es bestehen Schwierigkeiten, über<br />
die Abteilungsgrenzen hinweg gemeinsam zu Lösungen zu kommen,<br />
weil sich niem<strong>and</strong> zuständig fühlt.<br />
Abb. Stabsorganisation<br />
Diese Form stellt eine Mischung aus reiner Projektorganisation und der<br />
Projektkoordination aus der Linienorganisation <strong>da</strong>r. Ein wesentliches<br />
Merkmal ist, <strong>da</strong>ss die Verantwortung auf die Abteilungsleiter und<br />
Projektleiter aufgeteilt wird. So bekommt der Projektleiter zwar die volle<br />
Projektverantwortung übertragen, aber nicht die volle Weisungsbefugnis<br />
für die Projektmitarbeiter. Diese bleiben in ihren<br />
Linienorganisationsabteilungen und werden nur zeitweise in ein<br />
Projektteam eingegliedert.<br />
Vorteile:<br />
Das Personal ist flexibel einsetzbar. Dadurch kann <strong>da</strong>s Unternehmen<br />
Spezialwissen gezielt einsetzen und weitergeben. Die Folge ist auch<br />
ein Synergieeffekt, weil Mitarbeiter aus unterschiedlichen Abteilungen<br />
zusammenwirken. Ferner entsteht eine größere Sicherheit für die<br />
Projektmitarbeiter, <strong>da</strong> sie nicht aus der Linienorganisation herausgelöst<br />
werden. Das heißt die Mitarbeiter bekommen keine Probleme, nach<br />
Projektende wieder in ihre ursprüngliche Abteilung integriert zu werden.<br />
Die Verantwortung wird nach Projektverantwortung und<br />
Fachverantwortung geteilt.
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Nachteile:<br />
Minos<br />
Kompetenzkonflikte zwischen der Linienorganisation und dem<br />
Projektleiter hinsichtlich Prioritäten und Ressourcen können auftreten,<br />
bezogen auf die zu erledigenden Projektaufgaben und <strong>da</strong>s zu<br />
erledigende Tagesgeschäft. Mitarbeiter geraten <strong>da</strong>durch häufig in einen<br />
Konflikt. Denn sie sind einerseits an den Linienverantwortlichen<br />
gebunden. Das bedeutet, sie müssen ihr Tagesgeschäft erledigen.<br />
Andererseits sind sie in die Projektorganisation eingebunden. Die<br />
Projektvorgänge müssen demnach innerhalb einer bestimmten Zeit<br />
erledigt werden.<br />
Abb.: Matrixorganisation<br />
6.4 Zusammenfassung: Merkmale einer Projektorganisation<br />
Wichtig<br />
Verschiedene Merkmale kennzeichnen die Projektorganisation:<br />
- Die Lebens<strong>da</strong>uer der Organisation ist auf die Projekt<strong>da</strong>uer<br />
begrenzt.<br />
- Mitglieder des Projektteams werden (teilweise) von <strong>and</strong>eren<br />
Aufgaben freigestellt.<br />
- Die hierarchische Stellung im Projektteam ist unabhängig von der<br />
betrieblichen Position.<br />
- Die qualitative und die quantitative Zusammensetzung des Teams<br />
kann sich im Verlauf des Projekts ändern.<br />
27
28<br />
Minos<br />
7 Projektleitung<br />
7.1 Der Projektleiter<br />
Definition<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Verantwortungsbereiche und Aufgaben des Projektleiters: Der<br />
Projektleiter ist eine vom Auftraggeber (zum Beispiel Geschäftsführung,<br />
externer Auftraggeber) für die Dauer des Projektes ernannte Person,<br />
die mit zahlreichen Verantwortlichkeiten ausgestattet ist. Die Aufgaben<br />
und Kompetenzen hängen immer individuell vom Projekt, der<br />
Firmenstruktur oder auch vom Auftraggeber ab. Die folgende Aufzählung<br />
geht von einer Matrix-Projektorganisation aus, in der der Projektleiter<br />
nur fachliche Kompetenz hat.<br />
7.1.1 Verantwortungsbereiche eines Projektleiters<br />
Der Verantwortungsbereich des Projektleiters umfasst :<br />
- Kostenüberwachung und Budgeteinhaltung<br />
- Termineinhaltung<br />
- Sachzielerreichung<br />
- Konfliktmanagement<br />
- die fachliche und sachliche Verantwortlichkeit für <strong>da</strong>s Projektteam<br />
- die Steuerung der Projektaktivitäten<br />
- die Einhaltung der Richtlinien, Verfahrens- und Arbeitsanweisungen<br />
- die Kommunikation innerhalb des Teams und mit dem Auftraggeber<br />
- die Vorbereitung und Durchführung von Projektbesprechungen und<br />
- die Erstellung und Aktualisierung des Projektplans.
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
7.1.2 Aufgaben eines Projektleiters<br />
Zu den Aufgaben des Projektleiters gehört:<br />
- die Mitwirkung bei der Zieldefinition<br />
- die Repräsentation des Projekts nach außen<br />
- für die erforderliche Abstimmung intern und extern zu sorgen<br />
- <strong>da</strong>s Veranlassen von notwendigen Schulungsmaßnahmen<br />
Minos<br />
- die Benennung von Stellvertretern die Koordination des Teams<br />
- die Mitwirkung bei der Teamzusammensetzung<br />
- die Aufgabenverteilung innerhalb des Teams<br />
- die Überwachung der Projektfortschritte<br />
- die Definition der Projektmeilensteine<br />
- die laufende Kontrolle, ob Kostenrahmen und Termine eingehalten<br />
werden<br />
- der Abruf der Entscheidungs- und Abstimmungsinstanz bei Be<strong>da</strong>rf<br />
- <strong>da</strong>s Erstellen von Projektstatusberichten<br />
- die Projektdokumentation und Unterlagenverwaltung<br />
- die Projektnachkalkulation.<br />
7.1.3 Persönliche Anforderungen an den Projektleiter<br />
Persönliche Anforderungen an den Projektleiter<br />
Die Aufgaben und die Verantwortlichkeiten stellen eine Vielzahl von<br />
Anforderungen an den Projektleiter, die dieser idealerweise mitbringen<br />
sollte:<br />
- Fachliche Kompetenz<br />
- Führungskompetenz<br />
- Soziale Kompetenz<br />
- Kommunikative Fähigkeiten<br />
- Motivationsfähigkeit<br />
- Delegationsbereitschaft<br />
29
30<br />
Minos<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
- Kooperationsbereitsschaft<br />
- Erkennen von Zusammenhängen<br />
- Organisationstalent<br />
- Wirtschaftliches und unternehmerisches Denkvermögen<br />
- Eigeninitiative<br />
- Kreativität<br />
- Entscheidungsfreude<br />
- Verh<strong>and</strong>lungsgeschick<br />
- Durchsetzungsvermögen<br />
- Dynamik<br />
7.1.4 Mindestkompetenzen eines Projektleiters<br />
Wichtig<br />
Da der Projekterfolg ganz entscheidend von der Persönlichkeit des<br />
Projektleiters abhängt, sollte die Unternehmensleitung <strong>da</strong>rauf ganz<br />
besonderes Augenmerk legen. Um Missverständnisse von vornherein<br />
auszuschließen, muss immer feststehen, ob der Projektleiter nur<br />
fachliche oder auch disziplinarische Weisungsbefugnis bekommt.<br />
Mindestkompetenzen:<br />
Für eine reibungslose Durchführung des Projekts benötigt der<br />
Projektleiter allerdings gewisse Mindestkompetenzen:<br />
- Er <strong>da</strong>rf bei der Zieldefinition für <strong>da</strong>s Projekt mitwirken.<br />
- Er erhält ein Mitspracherecht bei der Bestimmung der<br />
Fachverantwortlichen.<br />
- Er hat ein projektbezogenes Informations-, Weisungs-, und<br />
Entscheidungsrecht.<br />
- Er <strong>da</strong>rf Teilaufgaben zur weiteren Bearbeitung freigeben.
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
7.2 Das Projektteam<br />
8 Projektplanung<br />
Definition<br />
8.1 Zielplanung<br />
Definition<br />
Minos<br />
Das Team, <strong>da</strong>s an einem Projekt arbeitet, setzt sich im Regelfall<br />
zusammen aus:<br />
- dem Projektleiter<br />
- ständigen Projektmitgliedern<br />
- zeitweiligen Projektmitgliedern<br />
- Personen oder Firmen, die Dienstleistungen für <strong>da</strong>s Projekt<br />
erbringen.<br />
Darüber hinaus spricht man von geschlossenen oder offenen<br />
Projektgruppen. Bei einer geschlossenen Projektgruppe h<strong>and</strong>elt es<br />
sich um eine feste Anzahl von Mitarbeitern, die von Anfang bis Ende<br />
des Projekts <strong>da</strong>bei sind. Bei offenen Projektteams wechseln die<br />
Projektmitarbeiter je nach Projektstatus. Zum Beispiel kann die Mitarbeit<br />
von Programmieren im Projektteam nur in einer bestimmten Phase<br />
notwendig sein.<br />
Unter Projektplanung versteht man die systematische<br />
Informationsgewinnung über den künftigen Ablauf des Projekts und die<br />
ge<strong>da</strong>nkliche Vorwegnahme des notwendigen H<strong>and</strong>elns im Projekt.<br />
Grundsätzlich steht und fällt erfolgreiche Projektarbeit mit der<br />
sorgfältigen, zielgerichteten Planung. Es gibt <strong>da</strong>s geflügelte Wort: „Wenn<br />
Sie beim Planen versagen, planen Sie Ihr Versagen“. Der Projektplan<br />
legt die Sollvorgaben fest, anh<strong>and</strong> derer später die Projektüberwachung<br />
und -steuerung den Soll/Ist-Vergleich macht, Abweichungen erkennt und<br />
Korrekturmaßnahmen einleitet.<br />
Die Zielplanung umfasst den Weg von der Projektidee bis zur<br />
Genehmigung der Projektziele. Die Ziele müssen aus den Anforderungen<br />
des Umfeldes an den Projektgegenst<strong>and</strong> und unter Beachtung der<br />
Auswirkungen des Projektgegenst<strong>and</strong>s auf <strong>da</strong>s Umfeld abgeleitet<br />
werden. (Projektumfeld- und Stakeholderanalyse (Stakeholder:<br />
Betroffene, Beteiligte, Interessenten)) Erst bei Klarheit über die Ist-<br />
Situation können die Projektziele entwickelt und festgelegt werden. Ziele<br />
sind für alle Aktivitäten im Projekt Basis Richtschnur und Maßstab.<br />
Sie haben vier wesentliche Funktionen zu erfüllen:<br />
1. Orientierungsfunktion<br />
2. Selektionsfunktion<br />
3. Koordinationsfunktion<br />
4. Kontrollfunktion<br />
31
32<br />
Minos<br />
Wichtig<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Projektziele bestehen aus drei Komponenten:<br />
1. Leistung<br />
2. Projekt-Endtermin<br />
3. Projektkosten<br />
Die drei Komponenten stehen in konkurrierenden Beziehungen<br />
zuein<strong>and</strong>er und müssen deshalb im Zusammenhang gesehen werden.<br />
Dieser Zusammenhang lässt sich in einem „magischem“ Zieldreieck<br />
verdeutlichen.<br />
Abb.: drei Pole des Projektmanagement<br />
Ziele beziehen sich auf den Projektgegenst<strong>and</strong> und den -ablauf:<br />
=> Projektgegenst<strong>and</strong>sziele (Ergebnisziele)<br />
=> Projektablaufziele (Prozessziele)<br />
Grundsätzlich ist eine Unterteilung in Muss- und Wunschziele sinnvoll.<br />
Mussziel: Erreichung ist unerlässlich!<br />
Wunschziel: Nice to have!<br />
Die Zielbündel werden in einem Zielkatalog festgehalten. Sie können<br />
nicht immer schon zu Beginn des Projektes detailliert benannt werden.<br />
Erst im Projektverlauf, wenn bereits Ergebnisse vorliegen, können und<br />
müssen Projektziele detailliert werden.<br />
Wichtigste Forderungen an eine Zielformulierung sind:<br />
- Die Zielformulierung sollte möglichst lösungsneutral erfolgen.<br />
- Die Ziele sollten möglichst operationalisierbar/messbar sein.
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
8.2 Planungsaspekte<br />
8.3 Gliederung von Projekten<br />
Definition<br />
Definition<br />
Minos<br />
Planen bedeutet unter <strong>and</strong>erem, auf Erfahrungen zurückzugreifen.<br />
Gerade <strong>da</strong>s aber ist bei neuen Projekten nur bedingt möglich. Die Gefahr,<br />
Fehler zu machen, ist groß. Eine besonders gründliche Vorgehensweise<br />
wird <strong>da</strong>her nötig. Es empfiehlt sich, folgende Aspekte zu berücksichtigen:<br />
- Definieren Sie <strong>da</strong>s Projektziel genau (Hauptziele und Nebenziele)<br />
- Erstellen Sie Unterlagen, in denen <strong>da</strong>s Projekt genau analysiert<br />
wird (logische Abläufe)<br />
- Planen Sie dynamisch (Unterlagen iterativ auf den neuesten St<strong>and</strong><br />
bringen, Erkenntnisse, Änderungen, Auswirkungen mit<br />
einbeziehen).<br />
Bei der Gliederung von Projekten existieren zwei<br />
Gliederungsmöglichkeiten:<br />
Die Top-Down-Methode und die Bottom-Up-Methode. Je nach Projektart<br />
und bereits begonnener Planung sollte sich der Verantwortliche für eine<br />
der beiden Techniken entscheiden.<br />
Top-Down-Methode<br />
Bei dieser Methode beginnt der Projektplaner mit der Grobplanung (Top<br />
= Oben).<br />
Anschließend wird jeder Teilpunkt der Grobplanung weiter unterteilt bis<br />
am Ende die einzelnen Vorgänge (Down = nach unten) stehen. Hier<br />
schafft der Planer zuerst <strong>da</strong>s Gliederungsgerüst, <strong>da</strong>ss er anschließend<br />
mit Vorgängen füllt.<br />
.<br />
Bottom-Up-Methode<br />
Diese Methode funktioniert genau umgekehrt, also von unten nach oben.<br />
Sie ist sinnvoll, wenn bereits alle oder fast alle Einzelvorgänge als<br />
ungeordnete Liste bekannt und vorh<strong>and</strong>en sind. Hier muss der<br />
Verantwortliche <strong>da</strong>nn nur noch eine Gliederungsstruktur für den Ablauf<br />
der Vorgänge suchen. Das Gliederungsgerüst entsteht aus den einzelnen<br />
vorh<strong>and</strong>enen Vorgängen.<br />
Häufig sind weitere Zusatzgliederungen notwendig, etwa nach<br />
Abteilungen, Kostenstellen oder Produktarten.<br />
Abb.: Top-Down- und Bottom-Up-Strategie<br />
33
34<br />
Minos<br />
8.4 Arten von Projektplänen<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Folgende Einzelpläne sind notwendig und müssen in einem Projektplan<br />
dokumentiert werden:<br />
Strukturplan (Phasen- und Projektstrukturplan):<br />
=> Wie ist <strong>da</strong>s Projekt strukturiert?<br />
Ablauf- und Terminplan:<br />
=> Wie soll <strong>da</strong>s Projekt ablaufen?<br />
=> Welche Termine gelten für <strong>da</strong>s Projekt?<br />
Einsatzmittelplan:<br />
=> Welche Ressourcen sind erforderlich?<br />
Kostenplan:<br />
=> Welche Kosten sind erforderlich?<br />
Finanzierungsplan:<br />
=>Wie wird <strong>da</strong>s Projekt finanziert (Kosten gedeckt)?<br />
8.5 Projektplanungstechniken u. -instrumente<br />
Definition<br />
Die gebräuchlichsten Methoden der Projektplanung:<br />
Projektstrukturplan (Gliederung): Eine sinnvolle Projektstrukturierung,<br />
also die Gliederung eines Projekts in Teilprojekte, Sammelvorgänge<br />
und Einzelvorgänge, ist Voraussetzung für eine transparente<br />
Projektplanung und Projektüberwachung. Das wirkungsvollste<br />
Instrument <strong>da</strong>für ist der Projektstrukturplan (PSP). Im Englischen heißt<br />
dieses Verfahren Work Breakdown Structure (WBS). Es gibt<br />
objektorientierte, funktionsorientierte und objekt- und<br />
funktionsorientierte Projektstrukturpläne (siehe Abbildung). Mit einem<br />
„objektorientierten“ PSP ist die Planung anh<strong>and</strong> von Lösungen gemeint,<br />
mit „funktionsorientiert“ die Planung anh<strong>and</strong> von Vorgängen.<br />
Beim Bau eines Hauses würde der Planer die Phase „Fun<strong>da</strong>ment<br />
graben“ im objektorientierten PSP als „Fun<strong>da</strong>ment“ bezeichnen, im<br />
funktionsorientierten PSP als „Fun<strong>da</strong>mentieren“.<br />
Abb.: Objektorientierter PSP
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Abb.: Funktionsorientierter PSP<br />
Abb.: Objekt- und Funktionsorientierter PSP<br />
Minos<br />
35
36<br />
Minos<br />
8.6 Netzplantechnik<br />
Definition<br />
8.6.1 Ziele der Netzplantechnik<br />
Definition<br />
Wichtig<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Der Begriff Netzplantechnik umfasst „alle Verfahren zur Analyse,<br />
Planung, Steuerung und Überwachung von Abläufen auf der Grundlage<br />
der Graphentheorie, wobei Zeit, Kosten, Einsatzmittel bzw. Ressourcen<br />
und weitere Einflussgrößen berücksichtigt werden können“ (DIN 69900,<br />
Teil 1). Ein Netzplan ist die „graphische oder tabellarische Darstellung<br />
von Abläufen und der Abhängigkeiten.“ (DIN 69900, Teil 1).<br />
Die Netzplantechnik findet ihre Anwendung insbesondere <strong>da</strong>rin, Projekte<br />
zu planen, sie ist im Rahmen des Projektmanagements also eine<br />
Methode der Projektplanung.<br />
Ziel der Netzplanung ist die Planung der logischen Beziehungen<br />
zwischen den Vorgängen und der zeitlichen Lage der Vorgänge, als<br />
Grundlage der Zielvereinbarung und zur Vermittlung von<br />
H<strong>and</strong>lungsorientierung im jeweiligen Projekt. Der Netzplan stellt die Basis<br />
für die Erstellung von Kommunikationsinstrumenten, wie z.B.<br />
Meilensteine, Balkenplan oder vernetzter Balkenplan <strong>da</strong>r.<br />
Der Einsatz der Netzplantechnik soll vier wichtige Fragen<br />
beantworten:<br />
Wie lange wird <strong>da</strong>s ganze Projekt <strong>da</strong>uern?<br />
Welche Risiken treten <strong>da</strong>bei auf?<br />
Welche kritischen Aktivitäten des Projekts können <strong>da</strong>s gesamte Projekt<br />
verzögern, wenn sie nicht rechtzeitig fertig werden?<br />
Ist <strong>da</strong>s Projekt im Zeitplan, wird es früher oder später fertig?<br />
Wenn es früher fertig werden soll, was ist am besten zu tun, wie kann<br />
man eine Beschleunigung mit den geringsten Kosten erreichen?<br />
Das Konzept der Netzplantechnik beruht auf der Erfahrung, <strong>da</strong>ss wenige<br />
Aktivitäten, die den längsten Pfad durch <strong>da</strong>s Netzwerk bilden, den Verlauf<br />
des gesamten Projektes bestimmen. Wenn diese „kritischen“ Aktivitäten<br />
frühzeitig erkannt werden, können auch frühzeitig Gegenmaßnahmen<br />
ergriffen werden. Das Management kann sich auf die kritischen<br />
Aktivitäten konzentrieren. Unkritische Aktivitäten können umgeplant<br />
werden, ohne <strong>da</strong>s gesamte Projekt zu beeinflussen.
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Wichtig<br />
Minos<br />
Bei der Netzplantechnik unterscheidet man entsprechend vier<br />
Teilaufgaben:<br />
Strukturplanung:<br />
Analyse der Vorgänge und Anordnungsbeziehungen<br />
Zeitplanung:<br />
Vorgängen werden Zeitwerte zugeordnet (Zeitfenster) und <strong>da</strong>raus die<br />
Projekt<strong>da</strong>uer errechnet<br />
Kostenplanung:<br />
Ermittlung der Kosten pro Vorgang und der Kosten des Projektes<br />
Kapazitätsplanung:<br />
8.6.2 Geschichte der Netzplantechnik<br />
Die Netzplantechnik stellt ein Hilfsmittel <strong>da</strong>r, <strong>da</strong>s vor allem<br />
folgenden Zwecken dient:<br />
- Die logischen Zusammenhänge eines Projektes vom Anfang<br />
bis zum Abschluss können übersichtlich <strong>da</strong>rgestellt werden.<br />
- Für alle Vorgänge des Projektes kann mit Hilfe<br />
der Netzplantechnik ein Zeitplan entwickelt werden.<br />
- Ein kritischer Pfad und Ressourcenengpässe, welche<br />
die Einhaltung des Endtermins gefährden können,<br />
lassen sich leicht identifizieren.<br />
- Netzpläne bilden die Basis für die laufende Projektkontrolle<br />
Planung der erforderlichen Produktionsmittel.<br />
Grundlage für die Ablauf- und Terminplanung kann der<br />
Projektstrukturplan sein.<br />
Schon am Ende des 19. Jahrhunderts wurden erste Hilfsmittel für die<br />
Planung von Projekten eingesetzt. Es gab noch keine Netzpläne, aber<br />
mit dem Balkendiagramm von Gantt wurde schon eine graphische<br />
Darstellung von Vorgängen bei der Planung von Projekten zur Hilfe<br />
gezogen. Aber erst mit der Methode des kritischen Pfades (critical path<br />
method, CPM) oder der PERT (Program Evaluation <strong>and</strong> Review<br />
Technique), welche 1956 entwickelt wurden, spricht man von der<br />
Netzplantechnik.<br />
Die Technik wird Netzplantechnik genannt, weil die graphische<br />
Darstellung von Kreisen und Pfeilen in diesen Plänen, bei Projekten mit<br />
vielen Vorgängen, wie ein Netz aussieht. Diese Techniken hatten nach<br />
ihrer Entwicklung große Erfolge. So erzielte z. B. die US-Navy bei der<br />
Vorbereitung und Überwachung des Polaris-Raketen-Projektes durch<br />
Anwendung der neuen Verfahren einen Zeitgewinn von fast 2 Jahren.<br />
Vor der weiten Verbreitung von Computern, wurden Netzpläne noch mit<br />
dem Bleistift gezeichnet oder sie wurden mit Hilfe von lackierten<br />
Stahlblechen und Magneten angefertigt. Diese hatten den Vorteil, <strong>da</strong>ss<br />
man Veränderungen des Projektes für <strong>da</strong>malige Verhältnisse schnell in<br />
die Projektplanung übernehmen konnte, ohne den Projektplan erneut<br />
zeichnen zu müssen.<br />
37
38<br />
Minos<br />
8.6.3 Grundbegriffe der Netzplantechnik<br />
Definition<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Vorgang<br />
Ein Vorgang ist im Rahmen der Netzplantechnik eine abgegrenzte<br />
Arbeitseinheit, die zu einem bestimmten Zeitpunkt begonnen und einem<br />
bestimmten späteren Zeitpunkt beendet wird. Allgemeiner ausgedrückt:<br />
„Ein Vorgang ist ein Ablaufelement, <strong>da</strong>s ein bestimmtes Geschehen<br />
beschreibt.“ (DIN 69900, Teil 1).<br />
In der Netzplantechnik wird von „Vorgang“ gesprochen, im Gegensatz<br />
zur Terminologie des Projektmanagements, die die Bezeichnung<br />
„Arbeitspaket“ als Planungseinheit bevorzugt.<br />
Vorgänge sind in der Regel Abschnitte des Projektablaufs; beim<br />
Ausnahmefall des Wartevorgangs findet jedoch kein Ablauf statt. Ein<br />
Vorgang kann mit <strong>and</strong>eren Vorgängen verknüpft sein: Beispielsweise<br />
müsste ein Vorgang „Socken anziehen“ beendet sein, bevor ein Vorgang<br />
„Schuhe anziehen“ begonnen werden kann. Auf diese Abhängigkeiten<br />
wird weiter unten detailliert eingegangen.<br />
Ein solcher Vorgang besitzt eine wesentliche Eigenschaft, seine Dauer.<br />
Aufgabe der Netzplantechnik ist, unter Berücksichtigung der Dauer der<br />
einzelnen Vorgänge und unter Berücksichtigung ihrer Abhängigkeiten<br />
zu ermitteln, wann die jeweiligen Vorgänge stattfinden. Der<br />
Rechenprozess beginnt je nach Be<strong>da</strong>rf entweder bei den<br />
Startvorgängen, und setzt von diesen ausgehend den frühestmöglichen<br />
Starttermin der nachfolgenden Vorgänge fest (Vorwärtsplanung), oder<br />
bei den letzten Vorgängen des Netzes (die keinen Nachfolger mehr<br />
haben), und setzt <strong>da</strong>nn die spätesten Fertigstellungstermine der jeweils<br />
vorgelagerten Vorgänge fest (Rückwärtsplanung). Durch Kombination<br />
beider Methoden, ausgehend von einem definierten Start- und einem<br />
definierten Endtermin, ergeben sich <strong>da</strong>durch für jeden Vorgang neben<br />
der Dauer folgende vier weitere wichtige Eigenschaften:<br />
Frühester Beginn (FAZ) (aus Vorwärtsplanung)<br />
Frühestes Ende (FEZ) (aus Vorwärtsplanung<br />
und jeweiliger Dauer)<br />
Spätester Beginn (SAZ) (aus Rückwärtsplanung und jeweiliger<br />
Dauer)<br />
Spätestes Ende (SEZ) (aus Rückwärtsplanung)<br />
Termine eines Vorgangs Vi,j:
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Definition<br />
Definition<br />
Definition<br />
Definition<br />
FAZ: Frühester Anfangszeitpunkt eines Vorgangs Vi,j = FZi<br />
Pufferzeit<br />
Minos<br />
FEZi,j: Frühester Endzeitpunkt eines Vorgangs Vi,j = FAZi,j + Di,j<br />
SEZi,j: Spätester Endzeitpunkt eines Vorgangs Vi,j = SZj (unter<br />
Einhaltung des Projektendtermins)<br />
Aus den Angaben mehrerer Vorgaben lassen sich im Netzplan<br />
anschließend zwei Arten von Pufferzeit errechnen:<br />
Der Gesamtpuffer GPi eines Vorgangs i errechnet sich aus der Differenz<br />
von SAZi (Spätester Anfangszeitpunkt von i) und FAZi (Frühester<br />
Anfangszeitpunkt von i), bzw. SEZi (Spätester Endzeitpunkt von i) und<br />
FEZi (Frühester Endzeitpunkt von i). Das heißt, der Gesamtpuffer gibt<br />
an um wieviel sich der Vorgang verschieben lässt ohne <strong>da</strong>s Projektende<br />
zu gefährden:<br />
GPi = SAZi - FAZi = SEZi - FEZi<br />
Der Freie Puffer ist die Zeit, die den frühest möglichen Beginn bzw.<br />
Ende des Nachfolgers nicht gefährdet. (Formal: Alle Nachfolge-Vorgänge<br />
können in ihrer frühesten Lage durchgeführt werden). Er kann nur<br />
entstehen, wenn mindestens zwei abgeschlossene Vorgänge auf<br />
denselben Nachfolger treffen.<br />
Seine Berechnung erfolgt bei einer „Normalfolge“ (Ende - Anfang) durch<br />
Bildung der Differenz von Frühestem Ende des betrachteten Vorgangs<br />
und dem frühestem Beginn seines Nachfolgers. Bei einer Anfangsfolge<br />
(Anfang - Anfang) werden die frühesten Anfangstermine und bei einer<br />
Endfolge (Ende - Ende) die frühesten Endetermine der Vorgänge<br />
verglichen. Beispiel Anfangsfolge:<br />
FP = FAZ(Nachf.) - FEZ<br />
bij = zeitlicher Mindestabst<strong>and</strong> zwischen Vorgang i und Vorgang j<br />
Si = Menge der Nachfolger von Vorgang i<br />
Freie Rückwärtspufferzeit FRPi,j = SZj - SZi - Di,j<br />
Maximale Zeitspanne, um die der Vorgang später beginnen <strong>da</strong>rf ohne<br />
<strong>da</strong>s Projekt zu verzögern, wenn alle vorhergehenden Vorgänge zum<br />
spätestmöglichen Termin enden.<br />
39
40<br />
Minos<br />
Definition<br />
Definition<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Kritischer Pfad<br />
Der Kritische Pfad ist definiert als die Verkettung derjenigen Vorgänge,<br />
bei deren zeitlicher Änderung sich der Endtermin des Netzplanes (also<br />
der Endtermin aller Vorgänge ohne Nachfolger) verschiebt. Er wird in<br />
einem Netzplan durch diejenige Kette von Einzel-Aktivitäten bestimmt,<br />
welche in Summe die längste Dauer aufweist und bei der der Freie Puffer<br />
0 beträgt.<br />
Die Aktivitäten, die auf dem kritischen Pfad liegen, bestimmen die<br />
Gesamtprojekt<strong>da</strong>uer und stehen <strong>da</strong>mit unter besonderer Beachtung der<br />
Projektleitung. Alle <strong>and</strong>eren Aktivitäten können im Rahmen ihrer<br />
Pufferzeit zeitlich verschoben oder verlängert werden, ohne die<br />
Gesamtprojekt<strong>da</strong>uer zu verändern.<br />
8.6.4 Weitere Begriffe der Netzplantechnik<br />
Definition<br />
Definition<br />
Unabhängige Pufferzeit UPi,j = max{0, FZj - SZi - Di,j}<br />
Maximale Zeitspanne, die der Vorgang verschoben werden <strong>da</strong>rf, wenn<br />
alle vorhergehenden Vorgänge zum spätestmöglichen Termin enden<br />
und alle nachfolgenden Vorgänge zum frühestmögliche Termin beginnen<br />
sollen. Von praktischer Bedeutung ist in erster Linie die GP (für kritischen<br />
Weg/Pfad) und in zweiter die FP.<br />
Ereignis:<br />
Ein Ereignis ist <strong>da</strong>s Eintreten eines definierten Zust<strong>and</strong>es im Ablauf.<br />
Ereignisse stellen Zeitpunkte <strong>da</strong>r, zu denen bestimmte Teilvorgänge<br />
beendet sind oder <strong>and</strong>ere beginnen sollen; der Anfang und <strong>da</strong>s Ende<br />
eines Vorganges sind folglich Ereignisse. Ein Ereignis hat keine zeitliche<br />
Ausdehnung.<br />
Anordnungsbeziehungen:<br />
Anordnungsbeziehungen kennzeichnen die logischen Abhängigkeiten<br />
zwischen Ereignissen oder Vorgängen. Bei der Aufein<strong>and</strong>erfolge zweier<br />
Vorgänge A und B gibt es vier Möglichkeiten:<br />
Ende-Start: B kann begonnen werden, sobald A beendet ist<br />
(EA-Beziehung oder Normalfolge).<br />
Start-Start: B kann begonnen werden, sobald A beendet ist<br />
(AA-Beziehung oder Anfangsfolge).<br />
Start-Ende: B kann beendet werden, sobald A beendet ist<br />
(AE-Beziehung oder Sprungfolge).<br />
Ende-Ende: B kann beendet werden, sobald A beendet worden ist<br />
(EE-Beziehung oder Endfolge).<br />
Ablaufstruktur: Die Ablaufstruktur eines Netzplanes wird durch<br />
die Gesamtheit der Anordnungsbeziehungen <strong>da</strong>rgestellt
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
8.6.5 Beispiele der Netzplantechnik<br />
Das Arbeiten mit Netzplänen lässt sich unterteilen in:<br />
Minos<br />
Entwurf als Zerlegung der Projektaufgabe in Vorgänge oder Ereignisse<br />
unter Berücksichtigung logischer und kausaler Zusammenhänge. Der<br />
Entwurf ist der wichtigste und auch schwierigste Teil der Arbeit, denn<br />
nur auf ihn kommt es an, ob <strong>da</strong>s Ergebnis der Planung sinnvoll ist oder<br />
nicht.<br />
Zeitanalyse in der Form einer Schätzung der Vorgangs<strong>da</strong>uern (bzw.<br />
Dauern zwischen zwei Ereignissen). Eine gute Schätzung der Zeiten ist<br />
die zweitwichtigste, ebenfalls schwere Aufgabe. Der Erkenntnisgewinn<br />
von Entwurf und Zeitschätzung sind viel größer als die anschließende<br />
Durchrechnung des Netzplans mit der Ermittlung des kritischen Pfads<br />
und der Zeitreserven.<br />
Projektüberwachung durch Korrekturen am Netzplan und Überwachung<br />
des Projektfortschritts. Bei einer umfassenden Anwendung sind auch<br />
Kosten- und Einsatzmittelanalysen möglich. Vor dem Erstellen des<br />
eigentlichen Netzplans werden häufig die Abhängigkeiten der einzelnen<br />
Vorgänge und ihre Dauer in einer Tabelle erfasst.<br />
Vorgangsnummer Vorgang Dauer Vorgänger Nachfolger<br />
1 Start 0 2 und 3<br />
2 Aufgabe AA 1 1 4<br />
3 Aufgabe BB 4 1 5<br />
4 Aufgabe CC 5 2 5<br />
5 Ziel 0 3 und 4<br />
Danach wird der Netzplan erstellt, wobei jeder Vorgang grafisch als<br />
Kästchen (Netzplanknoten) aufgezeichnet wird. An definierten Positionen<br />
wird eine Beschreibung, sowie Dauer, frühester Beginn, spätester<br />
Beginn, frühestes Ende und spätestes Ende notiert. Außerdem werden<br />
Felder für Gesamtpuffer und Freien Puffer reserviert.<br />
Die einzelnen Kästchen pro Vorgang werden durch Pfeile verbunden,<br />
welche die Abhängigkeiten zwischen den Vorgängen abbilden. Da keine<br />
zyklischen Verkettungen erlaubt sind, lassen sich die einzelnen Vorgänge<br />
in ihrer notwendigen zeitlichen Abfolge von links nach rechts anordnen,<br />
parallele Pfade befinden sich <strong>da</strong>bei unterein<strong>and</strong>er.<br />
41
42<br />
Minos<br />
Wichtig<br />
8.6.6 Arten von Netzplänen<br />
Definition<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Nun muss man die Pufferzeiten ausrechnen. Hierzu beginnt man mit<br />
dem frühesten Beginn des ersten Ereignisses und addiert seine Dauer.<br />
Das Ergebnis ist gleichzeitig der früheste Endzeitpunkt des aktuellen<br />
Vorgangs und der früheste Beginn des nächsten. Nachdem man mit<br />
dieser Vorwärtskalkulation beim letzten Vorgang angekommen ist,<br />
beginnt man von dort mit der Rückwärtskalkulation. Das früheste Ende<br />
des letzten Vorganges wird als spätestes Ende übernommen und ergibt<br />
mit der Dauer des Vorganges seinen spätesten Beginn. Die Differenz<br />
zwischen frühesten- und spätesten Beginn ergibt den Gesamtpuffer.<br />
Anschließend kann man dem hier gezeigten Beispielnetzplan die<br />
folgenden Informationen entnehmen:<br />
- Das Projekt ist nach frühestens 6 Tagen beendet.<br />
- Der kritische Weg umfasst die Vorgänge AA und CC.<br />
- Der Vorgang BB kann auch erst nach einer Pufferzeit von<br />
2 Tagen gestartet werden, ohne <strong>da</strong>s Projekt zu gefährden.<br />
Es gibt verschiedene Arten und Varianten von Netzplänen.<br />
Es werden folgende Arten von Netzplänen unterschieden:<br />
- Vorgangspfeilnetzplan (VPN)<br />
Bei einem Vorgangspfeilnetzplan werden Vorgänge als Pfeile<br />
<strong>da</strong>rgestellt, die logische Reihenfolge geht aus der Anordnung<br />
der Knoten (Beginn/Ende der Vorgänge) hervor .<br />
(Beispiel Methode des kritischen Pfades (CPM))<br />
- Ereignisknotennetzplan (EKN)<br />
Bei einem Ereignisknotennetzplan werden Ereignisse (Zustände)<br />
als Knoten und die zeitliche Abhängigkeiten werden als Pfeile<br />
<strong>da</strong>rgestellt. (Beispiel: Program Evaluation <strong>and</strong> Review<br />
Technique (PERT)).
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
8.6.7 Vorteile der Netzplantechnik<br />
Wichtig<br />
GERT (Graphical Evaluation. <strong>and</strong> Review Technique)<br />
Minos<br />
- Vorgangsknotennetzplan (VKN)<br />
Ein Vorgangsknoten-Netzplan ist die Diagrammform für<br />
einen Netzplan, bei dem die einzelnen Vorgänge<br />
als Kästchen <strong>da</strong>rgestellt werden, die mit wichtigen Kenn<strong>da</strong>ten<br />
des Vorgangs (frühester Start, spätester Start etc.) versehen sind.<br />
Die Vorgänge sind durch Pfeile verbunden, die logische<br />
Abhängigkeiten symbolisieren. Die häufig fälschlich verwendete<br />
Bezeichnung PERT-Diagramm ist irreführend, <strong>da</strong> <strong>da</strong>s originale<br />
PERT Ereignisknotennetzpläne verwendet.<br />
In gegenwärtig verfügbaren Netzplantechnikprogrammen sind die<br />
Methoden vermischt und nicht mehr sehr relevant. Als allgemeine<br />
Anwendungsempfehlung sollten Vorgangs-Pfeil-Netzpläne, z.B. CPM,<br />
<strong>da</strong>nn zur Anwendung kommen, wenn <strong>da</strong>s Projekt einfache<br />
Anordnungsbeziehungen, die selten geändert werden müssen. CPM-<br />
Netzpläne sind weniger geeignet für Kosten- und Einsatzmittelplanung.<br />
Vorgangs-Knoten-Netzpläne, z.B. MPM, haben den Vorteil, <strong>da</strong>ss den<br />
Vorgangsknoten viele unterschiedliche Informationen zugeordnet werden<br />
können. Ein weiterer Vorteil ist, <strong>da</strong>ss sie sich relativ schnell ändern lassen.<br />
Ereignis-Knoten-Netzpläne wie PERT sollten bei Projekten verwendet<br />
werden, bei denen die Vorgänge entweder zeitlich oder strukturell nicht<br />
genau vordefiniert werden können (stochastische Netzplanmethode).<br />
Aufgrund ihrer relativ einfachen H<strong>and</strong>habung sind CPM und MPM am<br />
weitesten verbreitet.<br />
Der Netzplan ist eine sehr verständliche, anschauliche und<br />
aussagekräftige Darstellung, weil der Netzplan einen ausgezeichneten<br />
Überblick über die Gesamtheit der Teilvorgänge eines Projekts und deren<br />
gegenseitigen Abhängigkeiten liefert. Durch die Abbildung des gesamten<br />
Projekts durch den Netzplan besteht die Notwendigkeit <strong>da</strong>s gesamte<br />
Projekt zu durchdenken und sich nicht auf ein jeweiliges Teilprojekt zu<br />
versteifen. Der Netzplan an sich ist schnell erfassbar und <strong>da</strong>her auch<br />
leicht aktualisierbar und ermöglicht eine relativ exakte Vorhersage<br />
wichtiger Zwischentermine und des Endtermins. Weiterhin sind beim<br />
Netzplan zeitliche Engpässe (kritischer Pfad) und Pufferzeiten leicht<br />
erkennbar, <strong>da</strong> durch Projektmanagementsoftware zum Beispiel<br />
verschiedene Farben für Vorgänge des kritischen Pfads vergeben<br />
werden können.<br />
43
44<br />
Minos<br />
8.6.8 Nachteile der Netzplantechnik<br />
Wichtig<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Im Gegensatz zur Planung mit Balkendiagrammen kann in der<br />
Netzplantechnik zwischen Ablauf- und Terminplanung unterschieden<br />
werden. Durch die Möglichkeit der Darstellung der logischen<br />
Abhängigkeiten zwischen Vorgängen kann ein Ablaufplan unabhängig<br />
von terminlichen Annahmen entwickelt werden. Kurz zusammengefasst<br />
lässt sich sagen:<br />
Netzpläne bilden eine verständliche, anschauliche und aussagekräftige<br />
Darstellung des gesamten Projektablaufes.<br />
Sie sind schnell erfassbar und leicht aktualisierbar (sofern die<br />
Projekt<strong>da</strong>ten elektronisch verarbeitet werden).<br />
Kritische Vorgänge und Engpässe sind leicht erkennbar.<br />
Bei ihrer Erstellung ist es notwendig, <strong>da</strong>s gesamte Projekt zu<br />
durchdenken.<br />
Ein Großteil der erhältlichen Projektmanagementsoftware unterstützt<br />
Netzplantechnik.<br />
Die grafische Darstellung, der Netzplan, wird häufig für größere Projekte<br />
eingesetzt, kleinere Projekte lassen sich in einer <strong>da</strong>raus abgeleiteten<br />
Darstellung, dem Balkenplan (Gantt-Diagramm) zum Teil etwas<br />
anwenderfreundlicher <strong>da</strong>rstellen. Alternativen zur Netzplantechnik wären<br />
die eben genannte Gantt- oder die Plannet-Technik (eine<br />
Weiterentwicklung der Gantt-Technik).<br />
Wenn der Netzplan zu detailliert geplant ist, ist dies mit enorm hohem<br />
Kontrollaufw<strong>and</strong> gleichzusetzen, <strong>da</strong> bis zu 200 Teilvorgänge gleichzeitig<br />
up–to–<strong>da</strong>te sein müssen, <strong>da</strong> sonst Verzerrungen in der Planung<br />
auftreten. Ist der Netzplan zu abstrakt aufgebaut und Arbeitsschritte<br />
unverständlich beschrieben, <strong>da</strong>nn ist die Wahrscheinlichkeit hoch, <strong>da</strong>ss<br />
dieser von den Anwendern nicht verst<strong>and</strong>en wird. Netzplanaktivitäten,<br />
die einem sehr starken Veränderungsprozess unterliegen, sind nicht<br />
kontrollfähig. Das führt zu häufig unrealistischen Plänen und <strong>da</strong>zu, <strong>da</strong>ss<br />
der Planer den Dingen hinterherhinkt.
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
8.7 Meilensteine<br />
Definition<br />
Minos<br />
Der Projektleiter definiert Meilensteine. Das sind Ereignisse (t=0), die<br />
die Grundlage für Entscheidungen bilden. Im Projektplan werden<br />
Meilensteine als Freigabetermine an <strong>da</strong>s Ende der Projektphase gesetzt.<br />
Chronologisches Vorgehen:<br />
Hier eine Zusammenfassung der chronologischen Vorgehensweise bei<br />
der Projektplanung:<br />
Zielplanung:<br />
- Zielhierarchie (Ergebnis- und Vorgehensziele)<br />
Phasen- und Strukturplanung:<br />
- Meilensteine als Kontrollzeitpunkte (Freigabe) setzen<br />
- Projekt gliedern in Funktionen und Objekte<br />
- Arbeitspakete/Projektvorgänge erstellen/ermitteln.<br />
Ablauf- und Terminplanung:<br />
- Netzplan erstellen (Ablaufplanung)<br />
- Terminplanung erstellen<br />
Einsatzmittel- und Kostenplanung:<br />
- Ressourcen und Kosten zuordnen<br />
- Kapazitäten abgleichen<br />
Basisplan speichern als Überwachungsgrundlage<br />
Auf dieser Grundlage erfolgt die Projektüberwachung mit der Feststellung<br />
der Soll-/Istabweichung und der wiederum <strong>da</strong>rauf aufbauenden<br />
Projektsteuerung.<br />
45
46<br />
Minos<br />
9 Schritte zum Projekterfolg<br />
Definition<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Nachfolgend werden die für Gliederung, Planung und Durchführung<br />
wichtigen Sachinhalte in 21 Schritten zusammengefasst <strong>da</strong>rgestellt.<br />
Dabei erfolgt nach der Nennung des Projektschrittes die <strong>da</strong>zugehörige<br />
Methode in Klammern. Diese Methode bezieht sich auf Kapitel 6<br />
(Projektorganisation). Die Inhalte werden anh<strong>and</strong> der Übungen vertieft<br />
und angewendet.<br />
Projektschritt (Methode)<br />
Projektauftrag<br />
1. Projektgegenst<strong>and</strong> wird bestimmt.<br />
Hintergründe und Ausgangssituation werden abgeklärt .<br />
(Projektdefinition)<br />
2. Definition der Projektziele (Projektauftrag)<br />
3. Abklären der organisatorischen Rahmenbedingungen<br />
(Projektorganisation)<br />
Grobplanung<br />
4. Zerlegung des Gesamtprojektes in Arbeitspakete und<br />
Beschreibung von Aufgabeninhalt und Umfang<br />
(Projektstrukturplan)<br />
5. Festlegung, wer wie an welchen Arbeitspaketen<br />
beteiligt ist. (Ressourcenplan)<br />
6. Schätzung und Abstimmung der Kapazität und<br />
der Kosten (Kosten- und Kapazitätsplan)<br />
7. Definition und Terminierung von<br />
Projekt-Zwischenergebnissen (Meilensteinplan)<br />
8. Beurteilung und Bewertung der Risiken,<br />
Revision der Planung (Projektumfeld-, Stakeholderanalyse)<br />
(Risiken und Konsequenzen)<br />
9. Organisieren und Einrichten der Projektinformation und<br />
-dokumentation (Informationswesen)
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Feinplanung<br />
Minos<br />
10. Zerlegung der Arbeitspakete in Aktivitäten und Verteilung an die<br />
Beteiligten (Aktivitätenliste)<br />
11. Ermittlung der erforderlichen Kapazität und der Dauer<br />
der Aktivitäten (Kapazitätenplan)<br />
12. Analyse der Abhängigkeiten (Ablaufstruktur)<br />
13. Ermittlung der Anfangs-/Endtermine der Aktivitäten<br />
(Balken/Netzplan )<br />
14. Ermittlung wesentlicher/kritischer Aktivitäten und Definition<br />
der Arbeitsziele (Interner Meilensteinplan)<br />
15. Kalkulation/Festlegung erforderlicher Kosten je Aktivität<br />
(Kostenplan)<br />
Steuerung/Überwachung<br />
16. Planung der Kontrollmethodik (Kontrollparameter, Kontrollform)<br />
(Rückmeldewesen)<br />
17. Information über ungeplante Ereignisse (Änderungsmitteilung)<br />
18. Sammlung und Darstellung der vereinbarten Informationen<br />
47
48<br />
Minos<br />
10 Risikomanagement<br />
Definition<br />
Wichtig<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Darunter sind alle Aktivitäten zu verstehen, die <strong>da</strong>zu dienen, die<br />
Wahrscheinlichkeit und/oder die Auswirkungen negativer Einwirkungen<br />
auf <strong>da</strong>s Projekt zu minimieren bzw. die Wahrscheinlichkeit und/oder die<br />
Auswirkungen positiver Einwirkungen zu maximieren.<br />
Best<strong>and</strong>teile des Risikomanagements<br />
- Risikoidentifikation<br />
- Risikobewertung<br />
- Entwicklung von Maßnahmen zur Risikobewältigung<br />
- Risikoverfolgung<br />
- Einsatz von Maßnahmen zur Risikobewältigung Beispieltabelle<br />
Relevanz:<br />
Seit 1998 ist <strong>da</strong>s Gesetz zur Kontrolle und Transparenz im<br />
Unternehmensbereich (KonTraG) in Deutschl<strong>and</strong> in Kraft!<br />
Abb.: Risikomanagement - Beispieltabelle
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Literaturverzeichnis<br />
o.V.a. (2007): Netzplantechnik, Phasen des Projektmanagements: www.wikipedia.org<br />
o.V.a. (2007): Projektmanagement-Methode: www.proko<strong>da</strong>.de<br />
Minos<br />
o.V.a. (2007): MS-Project - Ablauforganisation: www.iou.unizh.ch (Institut für Organisation und<br />
Unternehmenstheorie)<br />
o.V.a. (2007): MS-Project - Ablauforganisation: www.idd.tu-<strong>da</strong>rmstadt.de<br />
o.V.a. (2007): Netzplantechnik: www.plesk-modules.com<br />
o.V.a. (2007): PM-Werkzeuge und Prozessgruppen: www.pmqs.de<br />
o.V.a. (2007): Projektmanagement - Phasenmodell: www.sd-webconsult.com<br />
o.V.a. (2007): Deutsche Gesellschaft für Projektmanagement e.V.: www.gpm-ipma.de<br />
o.V.a. (2007): DIN 69900-1: www. din.de<br />
o.V.a. (1978-08): DIN 69900-1, Projektwirtschaft; Netzplantechnik; Begriffe, Beuth, (Berlin-Wien-<br />
Zürich)<br />
Ilsch, Dr.-Ing. Heinz-Jürgen, (2003), Projektmanagement - kompakt<br />
49
50<br />
Minos<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Angermeier, Georg: Projektmanagement-Lexikon, Projekt Magazin, CD, 2005,<br />
ISBN 3-00-018114-8<br />
Bartsch-Beuerlein, S<strong>and</strong>ra: Qualitätsmanagement in IT-Projekten. Hanser,<br />
München 2000, ISBN 3446213597<br />
Beiderwieden, Arndt; Pürling, Elvira: Projektmanagement für IT-Berufe. Stam,<br />
Troisdorf 2. Aufl. 2004, ISBN 3-8237-1177-6<br />
Bohinc, Tomas: Projektmanagement, Soft Skills für Projektleiter, GABAL-Verlag,<br />
Offenbach 2006, ISBN 3-636-01305-X<br />
Burghardt, Manfred: Projektmanagement. Publicis Corporate Publishing,<br />
Erlangen, 7. Auflage 2006, ISBN 3-89578-274-2<br />
Börjeson, Lena: H<strong>and</strong>buch für Projektkiller - Projekte verzögern, blockieren,<br />
sabotieren, 1. Auflage 2007, ISBN 978-3-938486-05-4<br />
Caupin, Gilles; Knöpfel, Hans; Morris, Peter; Motzel, Erhard; Pannenbäcker,<br />
Olaf (Hrsg.): ICB-IPMA Competence Baseline, Version 2.0.<br />
IICB/EPMA-Eigenverlag, ISBN 3-00-004057-9<br />
Croenenbroeck, Wolfgang: Internationales Projektmanagement.<br />
Cornelson, 2004, ISBN 3-589-23600-0<br />
DeMarco, Tom: Der Termin. Ein Roman über Projektmanagement.<br />
Hanser, München, ISBN 3-446-19432-0 (Zusammenfassung)<br />
DeMarco, Tom; Lister, Timothy: Wien wartet auf Dich! Hanser,<br />
München 1998, ISBN 3-446-21277-9<br />
Fischer, Joachim; Spiekermann, Markus: Grundlagen von<br />
Projektmanagementsystemen - Mit einer Einführung in SAP R/3 PS. 5.<br />
Auflage, Paderborn, Bingen, 2006, ISBN 3-937-96897-0<br />
Füting, Ulrich Chr.: Troubleshooting im Projektmanagement, Überlastung<br />
vermeiden, Risiken erkennen, Krisen bewältigen, Widerst<strong>and</strong> abfangen.<br />
Ueberreuter, 2003, ISBN 3-8323-1038-X<br />
Gareis, Rol<strong>and</strong>; Happy <strong>Projects</strong>! ISBN 3214082590<br />
Gärtner, Johannes: Realistisches Projektdesign, Projektarbeit in einer wenig<br />
berechenbaren Welt. 2004, ISBN 3-7281-2934-8<br />
Günther, Hans-Jörg; Legr<strong>and</strong>, Bob: Project Review, edditrex mini für<br />
„Q-Course Quality <strong>and</strong> Organisation“<br />
Heche, Dirk: Praxis des Projektmanagements., Springer, Berlin 2004,<br />
ISBN 3-540-20548-9<br />
Heimbold, Roman: Endlich im grünen Bereich! Projektmanagement für<br />
jedermann. mitp-Verlag, Bonn 2005, ISBN 3-8266-1547-6
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Hindel, Bernd; Hörmann, Klaus; Müller, Markus; Schmied, Jürgen: Basiswissen<br />
Software-Projektmanagement., dpunkt, 2006, ISBN 3-89864-390-5<br />
Hobbs, Peter: Professionelles Projektmanagement. Moderne<br />
Verlagsgesellschaft, 2002, ISBN 3478860148<br />
Hoelzle, Philipp: Projektmanagement, Professionell führen - Erfolge präsentieren.<br />
Haufe Verlag, 2002, ISBN 3-448-04945-X<br />
Holert; Renke: Projektmanagement mit Microsoft Project. MS Press, 2003,<br />
ISBN 3-860-63596-4<br />
Jankulik, Ernst; Kuhlang, Peter; Piff, Rol<strong>and</strong>: Projektmanagement und<br />
Prozessmessung - Die Balanced Score Card im projektorientierten<br />
Unternehmen. Publicis Corporate Publishing, Erlangen 2005, ISBN 3-89578-251-3<br />
Kairies, Peter; Moderne Führungsmethoden für Projektleiter. expert-verlag<br />
2005, ISBN 3-8169-2404-2<br />
Kerzner, Harold: Projektmanagement, Ein systemorientierter Ansatz zur<br />
Planung und Steuerung. mitp-Verlag, Bonn 2003, ISBN 3-8266-0983-2<br />
Klose, Burkhard: Projektabwicklung. 3. Auflage 2002, ISBN 3706405202<br />
Köhler, Thomas: Internet-Projektmanagement. 1. Auflage 2002, Addison-Wesley,<br />
ISBN 3827318378 (Rezension + Interview m. d. Autor über Internetprojekte)<br />
Lessel, Wolfgang: Projektmanagement. Projekte effizient planen und<br />
erfolgreich umsetzen. 2002, ISBN 3589219033<br />
Legr<strong>and</strong>, Bob: Q-Course Quality <strong>and</strong> Organization. 2004, ISBN 1-4116-1020-2<br />
Litke, Hans-Dieter: Projektmanagement: Methoden, Techniken, Verhaltensweisen.<br />
Hanser, München, 5. Auflage 2007, ISBN 3-446-40997-1<br />
Litke, Hans-Dieter: Projektmanagement- H<strong>and</strong>buch für die Praxis.<br />
Konzepte - Instrumente - Umsetzung.Hanser, München, 2005, ISBN 3-446-22907-8<br />
Litke, H<strong>and</strong>-Dieter; Kunow, Ilonka: Projektmanagement. Haufe,<br />
München, 5. Auflage 2006, ISBN 3-448-07745-3<br />
Lück-Schneider, Dagmar, Wissensmanagement im Rahmen von<br />
Projektmanagement, in Lück-Schneider, Dagmar und Maninger,<br />
Stephan (Hrsg.): Wissensmanagement - Eine interdisziplinäre Betrachtung,<br />
Brühl 2006, ISBN 3-938407-14-X<br />
Ma<strong>da</strong>uss, Bernd J.: H<strong>and</strong>buch Projektmanagement. Schäffer-Poeschel,<br />
2000, ISBN 3-7910-0694-0<br />
Mayrshofer, Daniela; Kröger, Hubertus A.: Prozeßkompetenz in der Projektarbeit.<br />
Windmühle Verlags GmbH, 1999, ISBN 3-922789-68-4<br />
Minos<br />
51
52<br />
Minos<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Mehrmann, Elisabeth; Wirtz, Thomas: Effizientes Projektmanagement,<br />
Erfolgreich Konzepte entwickeln und realisieren, Econ Verlag, Berlin 2002,<br />
ISBN 3612212176<br />
Möller, Thor; Dörrenberg, Florian, E.: Projektmanagement, Wirtschaftsund<br />
Sozialwissenschaftliches Repetitorium. Oldenbourg,<br />
München 2003, ISBN 3486273329<br />
Oltman, Iris: Projektmanagement, Zielorientiert denken, erfolgreich<br />
zusammenarbeiten. Rowohlt, Berlin 1999, ISBN 3499607638<br />
PMI (Hrsg.): PMBOK - Project Management Body of Knowledge.<br />
ISBN 1-930699-21-2 (Deutsch)<br />
PMI (Hrsg.): PMBOK - Project Management Body of Knowledge.<br />
ISBN 1-880410-23-0 (Englisch)<br />
Preuß, N.; Schöne, L. B. (2006): Real Estate und Facility Management -<br />
Aus Sicht der Consultingpraxis, Springer-Verlag, Berlin New York, 435 Seiten,<br />
2. vollst. überarb. und erw. Aufl., ISBN 3-540-42003-7<br />
Renz, Patrick S.: „Project Governance.“ Heidelberg: Physica, 2007.<br />
(Contributions to Economics); ISBN 978-3-7908-1926-7<br />
RKW-GPM (Hrsg.) „Projektmanagement Fachmann.“ 2 Bände, 1340 Seiten,<br />
650 Abb.(Deutsch) 2004; ISBN 3-926984-57-0<br />
Schelle, Heinz; Ottmann, Rol<strong>and</strong>; Pfeiffer, Astrid: Projektmanager.<br />
560 Seiten, GPM - Deutsche Gesellschaft für Projektmanagement<br />
2. Auflage 2005; ISBN 3924841268<br />
Schelle, Heinz: Projekte zum Erfolg führen, Projektmanagement<br />
systematisch und kompakt. dtv, München 5. Auflage 2007, ISBN 3-423-05888-9<br />
Seifert, Josef W.: Projektmanagement für kleinere Projekte - Erfolgreiche<br />
Führung und Moderation von Projektteams GABAL, Offenbach,<br />
2. Auflage 2006, ISBN 3-89749-655-0<br />
Slaghuis, Bernd: Vertragsmanagement für Investitionsprojekte,<br />
Quantitative Projektplanung zur Unterstützung des Contract Managements<br />
unter Berücksichtigung von Informationsasymmetrie. 2005, ISBN 3631542100<br />
Tiemeyer, Ernst: Projekte erfolgreich managen., 2002, ISBN 3407363907<br />
Tumuscheit, Klaus D.: Überleben im Projekt, 10 Projektfallen<br />
und wie man sie umgeht., 2002, ISBN 3-478-81296-8<br />
Tumuscheit, Klaus D.: Erste-Hilfe-Koffer für Projekte. 33 Lösungen<br />
für die häufigsten Probleme., 2004, ISBN 3280050340<br />
Tumuscheit, Klaus D.: Immer Ärger im Projekt. Wie Sie die Projektkiller<br />
austricksen., 2001, ISBN 3280026822
Projektmanagement und Organisation - Textbuch<br />
Projektcontrolling, Projektleitung, Projektmanagement allgemein,<br />
Internationales Projektmanagement, Projektorganisation in<br />
Das Deutsche Ingenieur-H<strong>and</strong>buch. Der Ingenieur als Manager,<br />
Deutscher Ingenieur Verlag, 2005, ISBN 3-8125-0553-3<br />
VDI-Berichte/ VDI-Tagungsbände: Projektmanagement - eine Zeitreise -<br />
Projektmanagement Praxis 2006, VDI-Verlag, Immenstaad,<br />
12./13.10.2006, ISBN 3-18-091974-4<br />
Volkmann, Walter: Projektabwicklung - für Architekten und Ingenieure,<br />
Verlag für Wirtschaft und Verwaltung Hubert Wingen, 2. Auflage,<br />
Essen 2003, ISBN 3-8028-0513-5<br />
Winkelhofer, Georg: Management- und Projekt-Methoden.“,<br />
Springer, Berlin 2004, ISBN 3-540-22912-4<br />
Wieczorrek, Hans W.; Mertens, Peter: Management von IT-Projekten.<br />
Von der Planung zur Realisierung, 2. Aufl., Springer, Berlin 2007,<br />
ISBN 978-3540484707<br />
Zimmermann, Jürgen; Stark, Christoph; Rieck, Julia: Projektplanung - Modelle,<br />
Methoden, Management., Springer, Berlin 2006, ISBN 3-540-28413-3<br />
Minos<br />
53
54<br />
Minos<br />
Projektmanagement und Organisation - Textbuch
<strong>Mechatronik</strong><br />
<strong>Modul</strong> 3: Fluidtechnik<br />
Schülerh<strong>and</strong>buch<br />
(Konzept)<br />
Matthias Römer<br />
Technische Universität Chemnitz<br />
Institut für Werkzeugmaschinen und<br />
Produktionsprozesse<br />
EU-Projekt Nr. 2005-146319 „MINOS“, Laufzeit von 2005 bis 2007<br />
Europäisches Konzept für die Zusatzqualifikation <strong>Mechatronik</strong> für<br />
Fachkräfte in der globalisierten industriellen Produktion.<br />
Das Projekt wurde gefördert von der<br />
Europäischen Union im Rahmen des<br />
Aktionsprogramms der Europäischen Union<br />
für die berufliche Bildung „<strong>Leonardo</strong> <strong>da</strong><br />
<strong>Vinci</strong>“.<br />
www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch
Projektpartner bei der Erarbeitung und Erprobung<br />
des Teachwarekonzepts<br />
• Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und<br />
Produktionsprozesse, Deutschl<strong>and</strong> – Projektleitung<br />
• Corvinus Universität Bu<strong>da</strong>pest, Institut für Informationstechnologien, Ungarn<br />
• Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Schweden<br />
• Technische Universität Wroclaw, Institut für Produktionstechnik und<br />
Automatisierung, Polen<br />
• Henschke Consulting Dresden, Deutschl<strong>and</strong><br />
• Christian Stöhr Unternehmensberatung, Deutschl<strong>and</strong><br />
• Neugebauer und Partner OHG Dresden , Deutschl<strong>and</strong><br />
• Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen<br />
• Euroregionale Industrie- und H<strong>and</strong>elskammer Jelenia Gora, Polen<br />
• Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Ungarn<br />
• Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Ungarn<br />
• Nationales Institut für berufliche Bildung Bu<strong>da</strong>pest, Ungarn<br />
Teachwearkonzept:<br />
• <strong>Modul</strong> 1: Grundlagen<br />
• <strong>Modul</strong> 2: Interkulturelle Kompetenzen, Projektmanagement<br />
• <strong>Modul</strong> 3: Fluidtechnik<br />
• <strong>Modul</strong> 4: Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
• <strong>Modul</strong> 5: Mechatronische Komponenten<br />
• <strong>Modul</strong> 6: Mechatronische Systeme und Funktionen<br />
• <strong>Modul</strong> 7: Inbetriebnahme, Sicherheit, Teleservice<br />
• <strong>Modul</strong> 8: Fernwartung, Diagnose<br />
Weitere Informationen:<br />
2<br />
Technische Universität Chemnitz<br />
Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse<br />
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Reimund Neugebauer<br />
Prof. Dr.-Ing. Dieter Weidlich<br />
Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz<br />
Tel.: +49(0)0371 531-23500<br />
Fax: +49(0)0371 531-23509<br />
Email: wzm@mb.tu-chemnitz.de<br />
Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch
Inhalt:<br />
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
1 Pneumatik ........................................................................................................................ 7<br />
1.1 Einleitung ......................................................................................................................... 7<br />
1.1.1 Geschichte der Druckluft .................................................................................................. 7<br />
1.1.2 Vor- und Nachteile der Pneumatik ................................................................................... 8<br />
1.1.3 Einsatzbereiche der Pneumatik ....................................................................................... 9<br />
1.2 Erzeugen von Druckluft .................................................................................................. 10<br />
1.3 Aufbereitung von Druckluft ............................................................................................. 12<br />
1.3.1 Trocknung der Druckluft ................................................................................................. 13<br />
1.3.2 Kältetrockner .................................................................................................................. 14<br />
1.3.3 Adsorptionstrockner ....................................................................................................... 15<br />
1.3.4 Weitere Möglichkeiten zur Drucklufttrocknung ............................................................... 15<br />
1.4 Wartungseinheiten ......................................................................................................... 16<br />
1.4.1 Filter und Wasserabscheider.......................................................................................... 16<br />
1.4.2 Druckregler ..................................................................................................................... 17<br />
1.4.3 Nebelöler ........................................................................................................................ 18<br />
1.4.4 Sonstige Best<strong>and</strong>teile .................................................................................................... 20<br />
1.4.5 Symbole der Bauteile von Wartungseinheiten ............................................................... 21<br />
1.5 Pneumatische Antriebe .................................................................................................. 23<br />
1.5.1 Einfachwirkende Zylinder ............................................................................................... 23<br />
1.5.2 Doppeltwirkende Zylinder ............................................................................................... 25<br />
1.5.3 Sonderbauformen der Zylinder ...................................................................................... 28<br />
1.6 Wegeventile.................................................................................................................... 34<br />
1.6.1 Symbolische Darstellung der Wegeventile ..................................................................... 34<br />
1.6.2 Betätigungen der Wegeventile ....................................................................................... 36<br />
1.6.3 Bezeichnung der Anschlüsse ......................................................................................... 39<br />
1.6.4 Konstruktionsprinzipien von Wegeventilen .................................................................... 40<br />
1.6.5 Bauarten von Wegeventilen ........................................................................................... 42<br />
1.6.6 Vorsteuerung von Wegeventilen .................................................................................... 49<br />
1.6.7 Ventilträgersysteme ........................................................................................................51<br />
1.7 Sperrventile .................................................................................................................... 54<br />
1.7.1 Rückschlagventile .......................................................................................................... 54<br />
1.7.2 Schnellentlüftungsventile ............................................................................................... 54<br />
1.7.3 Wechselventile ............................................................................................................... 55<br />
1.7.4 Zweidruckventile ............................................................................................................ 56<br />
1.8 Stromventile ................................................................................................................... 58<br />
1.8.1 Drosselrückschlagventile ............................................................................................... 59<br />
3
4<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
1.9 Druckventile ................................................................................................................... 60<br />
1.10 Sonstige Ventile ............................................................................................................. 61<br />
1.11 Bezeichnung der Symbole im Schaltplan ....................................................................... 63<br />
1.12 Vakuumtechnik ...............................................................................................................65<br />
2 Hydraulik ........................................................................................................................ 67<br />
2.1 Einleitung ....................................................................................................................... 67<br />
2.1.1 Vor- und Nachteile der Hydraulik ................................................................................... 68<br />
2.1.2 Einsatzbereiche der Hydraulik ....................................................................................... 68<br />
2.1.3 Aufbau einer Hydraulikanlage ........................................................................................ 69<br />
2.2 Hydraulikaggregate ........................................................................................................ 70<br />
2.2.1 Hydraulikbehälter ........................................................................................................... 71<br />
2.2.2 Druckbegrenzungsventil ................................................................................................. 72<br />
2.2.3 Filter ............................................................................................................................... 72<br />
2.3 Hydraulikflüssigkeiten .................................................................................................... 73<br />
2.3.1 Viskosität ........................................................................................................................ 73<br />
2.3.2 Weitere Eigenschaften der Hydraulikflüssigkeiten ......................................................... 75<br />
2.3.3 Fremdstoffe, Luft und Wasser in der Hydraulikflüssigkeit .............................................. 77<br />
2.3.4 Umweltschutz ................................................................................................................. 78<br />
2.4 Hydraulikpumpen ........................................................................................................... 80<br />
2.4.1 Zahnradpumpen ............................................................................................................. 81<br />
2.4.2 Schraubenpumpen ......................................................................................................... 84<br />
2.4.3 Flügelzellenpumpen ....................................................................................................... 85<br />
2.4.4 Reihenkolbenpumpen .................................................................................................... 86<br />
2.4.4 Radialkolbenpumpen ..................................................................................................... 87<br />
2.4.4 Axialkolbenpumpen ........................................................................................................ 88<br />
2.5 Zylinder und Motoren ..................................................................................................... 91<br />
2.5.1 Einfachwirkende Zylinder ............................................................................................... 92<br />
2.5.2 Doppeltwirkende Zylinder ............................................................................................... 94<br />
2.5.3 Befestigung der Zylinder ................................................................................................ 96<br />
2.5.4 Hydraulikmotore ............................................................................................................. 98<br />
2.6 Rohr- und Schlauchleitungen ....................................................................................... 100<br />
2.7 Wegeventile.................................................................................................................. 102<br />
2.7.1 Bezeichnung der Wegeventile...................................................................................... 103<br />
2.7.2 Überdeckung der Schaltstellungen .............................................................................. 104<br />
2.7.3 Betätigungen von Wegeventilen .................................................................................. 106
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
2.8 Sperrventile .................................................................................................................. 108<br />
2.9 Druckventile .................................................................................................................. 111<br />
2.9.1 Druckbegrenzungsventile ..............................................................................................111<br />
2.9.2 Druckminderventile ...................................................................................................... 115<br />
2.10 Stromventile ................................................................................................................. 117<br />
2.10.1 Drosselventile ............................................................................................................... 118<br />
2.10.2 Stromregelventile ......................................................................................................... 119<br />
2.10.3 Stromteiler .................................................................................................................... 120<br />
2.11 Hydrospeicher .............................................................................................................. 122<br />
2.11.1 Aufgaben der Hydrospeicher ....................................................................................... 122<br />
2.11.2 Kolbenspeicher ............................................................................................................ 123<br />
2.11.3 Blasen- und Membranspeicher .................................................................................... 124<br />
2.11.4 Befüllen von gasbeaufschlagten Hydrospeichern ........................................................ 125<br />
5
6<br />
Minos<br />
Fluidtechnik
1 Pneumatik<br />
1.1 Einleitung<br />
Fluidtechnik<br />
1.1.1 Geschichte der Druckluft<br />
Minos<br />
Der Begriff Pneumatik wird auf <strong>da</strong>s griechische Wort Pneuma zurückgeführt,<br />
was soviel wie Atem oder Hauch bedeutet. Als Energieform wird in<br />
der Pneumatik verdichtete Luft verwendet. Diese wird als Druckluft bezeichnet.<br />
Der Begriff Pressluft ist veraltet und sollte nicht mehr verwendet<br />
werden.<br />
Luft besteht zu 78 % aus Stickstoff und zu 21 % aus Sauerstoff. Das<br />
restliche Prozent setzt sich zusammen aus weiteren Gasen und Edelgasen.<br />
Zusätzlich ist in der Luft Wasser<strong>da</strong>mpf enthalten.<br />
Auf der Erdoberfläche beträgt der Luftdruck etwa 1 bar. Je nach Wetterbedingungen<br />
schwankt dieser Wert etwas. Der Wert der<br />
Normalatmoshäre ist in der DIN 5450 auf 101,325 kPa bei 15 °C festgelegt.<br />
In der Industrie wird Druckluft mit Drücken im Bereich von 3 bis 10 bar<br />
eingesetzt. Häufig werden Drücke von 6 bar verwendet, es sind aber<br />
durchaus auch Drücke von mehr als 10 bar üblich. Für Steuerfunktionen<br />
werden Drücke im Bereich von 0,2 bis 0,5 bar verwendet. Durch die heute<br />
üblichen elektronischen Steuerungen werden pneumatische Steuerungen<br />
im Niederdruckbereich aber immer mehr verdrängt.<br />
Druckluft hat eine geringe Viskosität und kann <strong>da</strong>durch in Rohrleitungen<br />
über größere Entfernungen transportiert werden. Die Kompressibilität<br />
von Druckluft ist eine wichtige Eigenschaft. Das Speichern von Energie<br />
ist <strong>da</strong>durch auf einfache Weise möglich.<br />
Die Druckluft ist eine sehr alte Energieform. Bereits vor rund 2000 Jahren<br />
wurde versucht, mit Druckluft Geschosse fortzuschleudern. Auch <strong>da</strong>s<br />
Bewegen von Türen durch <strong>da</strong>s Erwärmen von Luft war möglich. Blasebälge<br />
zum Erhöhen der Temperatur eines Feuers kann man als erste<br />
Kompressoren betrachten.<br />
Ende des 19. Jahrhunderts wurden bereits die Bremsen von Eisenbahnen<br />
mit Druckluft betätigt. In dieser Zeit entst<strong>and</strong>en auch erste Rohrpostanlagen.<br />
Um 1890 wurde in Paris ein Druckluftnetz aufgebaut. Dabei wurden auch<br />
Signale einer zentralen Uhr über größere Entfernungen an die Nebenstellen<br />
übertragen. In den <strong>da</strong>rauf folgenden Jahren setzten sich jedoch<br />
in vielen Bereichen elektrische Antriebe durch.<br />
7
8<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
1.1.2 Vor- und Nachteile der Pneumatik<br />
In den 50er und 60er Jahren wurden viele Steuerungsaufgaben auch<br />
pneumatisch gelöst. Solche Steuerungen arbeiteten mit kleinen Drükken<br />
von wenigen Millibar. Durch die Entwicklung von Transistoren und<br />
Mikroprozessoren werden heute jedoch die meisten Steuerungen mit<br />
Relais oder speicherprogrammierbaren Steuerungen versehen.<br />
Im Zuge der Automatisierung kommen heute viele pneumatische Steuerungen<br />
zum Einsatz.<br />
Die Pneumatik wird in vielen Bereichen der Industrie eingesetzt. Wie<br />
jede Energieform hat sie Vor- und Nachteile. Verglichen werden soll die<br />
Pneumatik hier vorallem mit der Hydraulik und der Elektrik, aber auch<br />
mit mechanischen Geräten.<br />
Die Vorteile der Pneumatik sind:<br />
– Die Luft als Medium steht praktisch unbegrenzt zur Verfügung. Da<br />
die Abluft ins Freie entweichen kann werden keine Rückleitungen<br />
benötigt.<br />
– Druckluft kann sehr gut in Behältern gespeichert werden. Damit ist<br />
es nicht erforderlich, <strong>da</strong>ss der Verdichter ständig arbeitet. Beim<br />
Ausfall von Energie können mit Hilfe von gespeicherter Druckluft<br />
begonnene Arbeitsschritte sicher beendet werden. Druckluft kann<br />
auch in Flaschen gefüllt transportiert werden.<br />
– Über Rohrleitungen lässt sich Druckluft über weite Entfernungen<br />
transportieren. Aus diesem Grund kann Druckluft zentral erzeugt<br />
werden.<br />
– Druckluft ist sauber und unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen.<br />
Undichtigkeiten stellen keine Gefahr für die Umwelt<br />
<strong>da</strong>r. Durch Druckluft kann in explosionsgefährdeten Bereichen<br />
eingesetzt werden. Die Verwendung im Freien oder in feuchten<br />
Umgebungen ist gefahrlos möglich.<br />
– Pneumatische Bauelemente sind einfach aufgebaut, preiswert und<br />
robust. Sie sind häufig leichter als vergleichbare Werkzeuge.<br />
– Die Geschwindigkeiten pneumatischer Antriebe sind stufenlos<br />
regelbar. Dabei können die Antriebe bis zum Stillst<strong>and</strong> belastet<br />
werden und sind deshalb überlastsicher. Geschwindigkeiten von<br />
mehreren Metern pro Sekunde sind problemlos möglich.<br />
– Lineare und schwenkende Bewegungen sind einfach realisierbar.<br />
Mit Saugnäpfen oder Greifern können Transportanwendungen leicht<br />
gelöst werden.
Fluidtechnik<br />
1.1.3 Einsatzbereiche der Pneumatik<br />
Den Vorteilen stehen folgende Nachteile gegenüber:<br />
Minos<br />
– Die Druckluft ist ein vergleichsweise teurer Energieträger. Bei der<br />
Verdichtung entsteht viel Wärme, die meist nicht genutzt werden<br />
kann.<br />
– Die Aufbereitung der Druckluft ist aufwendig. Staub und Wasser<br />
müssen unbedingt aus der Druckluft entfernt werden.<br />
– Für manche Bauteile, wie beispielsweise Lamellenmotoren, ist die<br />
Druckluft mit einem Ölnebel zur Schmierung zu versehen. Dieses<br />
Öl ist <strong>da</strong>nn auch noch in der Abluft enthalten. Die meisten pneumatischen<br />
Bauelemente müssen heute jedoch nicht mehr geölt werden.<br />
– Da Druckluft kompressibel ist, sind gleichförmige Bewegungen<br />
kaum möglich. Auch <strong>da</strong>s Positionieren ist mit pneumatischen Antrieben<br />
nicht möglich. Ein einfaches Stoppen lässt sich jedoch problemlos<br />
realisieren.<br />
– Das Entweichen der Abluft ist mit einer starken Geräuschentwicklung<br />
verbunden. Mit Schalldämpfern wird dem entgegengewirkt.<br />
– Die Kräfte und Momente sind beispielsweise im Vergleich mit der<br />
Hydraulik klein.<br />
Die Anwendungen der Druckluft sind sehr vielseitig. In der Industrie werden<br />
immer mehr Bereiche automatisiert. Dafür sind lineare und schwenkende<br />
Bewegungen sehr häufig erforderlich.<br />
So können Bauteile transportiert, gespannt oder geklemmt werden. Vorallem<br />
immer wieder kehrende Bewegungen können mit der Pneumatik<br />
leicht durchgeführt werden.<br />
Auch der Transport von Granulat durch Schlauch- oder Rohrleitungen<br />
ist möglich. Beim Farbspritzen wird die Farbe mittels Druckluft aufgetragen.<br />
Aber auch im H<strong>and</strong>werk wird die Pneumatik eingesetzt. Schrauber, Bohrmaschinen<br />
oder Winkelschleifer können pneumatisch angetrieben werden.<br />
Das H<strong>and</strong>haben von Werkstücken oder <strong>and</strong>eren Gegenständen geschieht<br />
oft mit Saugnäpfen oder pneumatisch angetriebenen Greifern.<br />
9
10<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
1.2 Erzeugen von Druckluft<br />
Das Erzeugen von Druckluft geschieht mit Hilfe von Verdichtern. Diese<br />
sind in vielen verschiedenen Bauformen verfügbar. Prinzipiell werden<br />
<strong>da</strong>bei Strömungsmaschinen und Verdrängermaschinen unterschieden.<br />
Strömungsmaschinen werden vorallem für große Volumenströme eingesetzt.<br />
Dabei wird die Luft zunächst auf eine hohe Geschwindigkeit<br />
gebracht und anschließend diese Geschwindigkeit in eine Erhöhung des<br />
Druckes umgesetzt.<br />
Die Erhöhung des Druckes ist <strong>da</strong>bei nicht besonders hoch. Deshalb wird<br />
die Druckerhöhung nachein<strong>and</strong>er in mehreren Stufen durchgeführt. In<br />
sogenannten Turboverdichtern wird die Luft häufig radial nach außen<br />
beschleunigt. Eine <strong>and</strong>ere Bauform sind axiale Verdichter. Diese sieht<br />
man bei beispielsweise bei Flugzeugturbinen.<br />
Kleinere Druckluftmengen werden mit Verdrängermaschinen erzeugt.<br />
Dabei wird die Luft in einen Raum gesaugt und dieser anschließend verkleinert.<br />
Wichtige Vertreter dieses Prinzips sind die Hubkolbenverdichter<br />
und die Schraubenverdichter. Es existieren aber noch eine Vielzahl an<br />
<strong>and</strong>eren Bauformen.<br />
Bild 1: Hubkolbenverdichter
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Hubkolbenverdichter bestehen aus einem Kolben, der mit einem Kurbeltrieb<br />
in einem Zylinder hin und her bewegt wird. Während der Abwärtsbewegung<br />
wird über ein Ansaugventil Luft in den Zylinder gesaugt. In der<br />
<strong>da</strong>rauf folgenden Aufwärtsbewegung wird der Zylinderraum durch den<br />
Kolben verkleinert und <strong>da</strong>durch der Druck erhöht. Übersteigt der Druck<br />
im Zylinder den Druck auf der Auslassseite, so öffnet ein Ventil und die<br />
verdichtete Luft wird ausgeschoben.<br />
Mit Hubkolbenverdichtern können in einer Stufe Drücke von bis zu 10 bar<br />
erzeugt werden. Durch mehrstufige Verdichtung sind Drücke von mehreren<br />
hundert bar möglich. Wegen der starken Erwärmung der Luft beim<br />
Verdichten muss diese zwischen den einzelnen Stufen abgekühlt werden.<br />
Je nach Ausführung erfolgt die Kühlung <strong>da</strong>bei mit Luft oder mit<br />
Wasser.<br />
Da <strong>da</strong>s Kurbelgehäuse von Hubkolbenverdichtern mit Öl geschmiert wird,<br />
gelangt eine kleine Menge von diesem Öl auch in die Druckluft. Bei manchen<br />
Anwendungsfällen wie beispielsweise in der Lebensmittelindustrie<br />
muss dieses Öl aus der Druckluft herausgefiltert werden.<br />
Für kleine Druckluftmengen werden in diesen Fällen Membranverdichter<br />
eingesetzt. Bei diesen bewegt der Kolben eine Membran, die die Druckluft<br />
vom Kurbelgehäuse trennt.<br />
Schraubenverdichter bestehen aus zwei inein<strong>and</strong>er greifenden schraubenförmigen<br />
Rotoren. Bei der Drehung der Rotoren wird der Raum zwischen<br />
den Rotoren und der W<strong>and</strong>ung verkleinert und die Luft <strong>da</strong>durch<br />
verdichtet.<br />
Zur Kühlung und zur Abdichtung wird bei manchen Schraubenverdichtern<br />
Öl eingespritzt. Es gibt aber auch ölfreie Schraubenverdichter, die als<br />
trockenlaufend bezeichnet werden. Eine weitere Möglichkeit ist <strong>da</strong>s Einspritzen<br />
von Wasser.<br />
Der Volumenstrom von Schraubenverdichtern ist pulsationsärmer als von<br />
Hubkolbenverdichtern. Für höhere Drücke kann die Verdichtung auch<br />
zweistufig erfolgen.<br />
Im allgemeinen bringen Schraubenverdichter größere Liefermengen,<br />
Kolbenverdichter <strong>da</strong>gegen höhere Drücke. Bei vielen Einsatzfällen kommen<br />
jedoch beide Bauarten in Frage.<br />
11
12<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
1.3 Aufbereiten von Druckluft<br />
Bild 2: Schraubenverdichter (Photo: AtlasCopco)<br />
Nach dem Verdichter wird die Druckluft in einem Behälter zwischengespeichert.<br />
Im Behälter wird die Luft abgekühlt und <strong>da</strong>bei bereits Wasser<br />
abgeschieden. Das entst<strong>and</strong>ene Kondenswasser ist regelmäßig aus<br />
dem Behälter zu entfernen.<br />
Der Behälter dient aber vorallem dem Ausgleich unterschiedlicher<br />
Verbräuche. Wird die erzeugte Druckluftmenge nur durch Ein- und Ausschalten<br />
des Verdichters geregelt, so sollte der Behälter eher größer<br />
gewählt werden. Die Einschalthäufigkeit des Verdichters wird <strong>da</strong>durch<br />
verringert.<br />
In neueren Anlagen werden die Rohrleitungen zur Verteilung der Druckluft<br />
eher etwas größer ausgeführt und somit <strong>da</strong>s gesamte Druckluftnetz<br />
als Speicher genutzt. Druckschwankungen durch verschieden starke<br />
Verbraucher werden so vermieden. Verbrauchern, die hohe<br />
Druckluftverbräuche haben aber diese nur selten benötigen, werden<br />
Zwischenspeicher vorgeschaltet. Aus diesen erfolgt <strong>da</strong>nn der Verbrauch<br />
der Druckluft.
Fluidtechnik<br />
1.3.1 Trocknung der Druckluft<br />
[g/m 3]<br />
100<br />
Beispiel<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
Bild 3: Taupunktkurve<br />
Minos<br />
In der vom Verdichter angesaugten Luft ist bereits Wasser in Form von<br />
Wasser<strong>da</strong>mpf enthalten. Die absolute Menge an Wasser<strong>da</strong>mpf wird <strong>da</strong>bei<br />
in g/m 3 angegeben.<br />
Wieviel Wasser<strong>da</strong>mpf in der Luft enthalten sein kann hängt von der Temperatur<br />
der Luft ab. Bei 20 °C kann in jedem Kubikmeter Luft maximal<br />
rund 17 g Wasser enthalten sein. Hat die Luft eine Temperatur von 50 °C,<br />
so sind bereits rund 82 g/m 3 möglich.<br />
Übersteigt die Wassermenge diese Werte so kann <strong>da</strong>s überschüssige<br />
Wasser nicht mehr gasförmig bleiben und fällt in Form von Wassertröpfchen<br />
aus. Die maximal mögliche Wassermenge wird in einem Diagramm<br />
als Taupunktkurve bezeichnet.<br />
Als relative Luftfeuchtigkeit wird bezeichnet, wieviel Wasser<strong>da</strong>mpf sich<br />
in der Luft befindet im Verhältnis zur maximal möglichen Menge. Dieser<br />
Wert wird in Prozent angegeben und ist von der Temperatur der Luft<br />
abhängig.<br />
Wird Luft mit einer Temperatur von 20 °C und einer relativen Feuchtigkeit<br />
von 100 % auf 50 °C erwärmt, so sinkt die relative Luftfeuchtigkeit<br />
auf rund 20 % ab.<br />
0<br />
-30 -20 -10 0 10<br />
[°C]<br />
20 30 40 50<br />
13
14<br />
Minos<br />
1.3.2 Kältetrockner<br />
Fluidtechnik<br />
Beim Verdichten wird <strong>da</strong>s Volumen der Luft verringert. Gleichzeitig wird<br />
jedoch auch die Temperatur erhöht, so <strong>da</strong>ss <strong>da</strong>s vor der Verdichtung in<br />
der Luft befindliche Wasser weiterhin gasförmig bleiben kann. Im<br />
Druckluftbehälter jedoch kühlt die Luft ab. Die Wassermenge, die sich<br />
oberhalb der Taupunktkurve befindet, wird flüssig und fällt aus.<br />
Die Druckluft im Behälter hat somit eine relative Luftfeuchtigkeit von<br />
100 %. Gelangt diese Druckluft in die Anlage und kühlt sich dort noch<br />
weiter ab, so wird weiteres Wasser aus der Druckluft austreten. Dies<br />
kann zu Korrosion an den Bauteilen führen und diese beschädigen. Bei<br />
Temperaturen unter 0 °C kann <strong>da</strong>s Wasser auch gefrieren und die Leitungen<br />
verstopfen. Um dies zu verhindern wird die Druckluft getrocknet.<br />
Durch <strong>da</strong>s Trocknen wird aus der Druckluft weiteres Wasser entfernt. Je<br />
nachdem, wie trocken die Druckluft <strong>da</strong>nach ist, kann man sie mehr oder<br />
weniger weit abkühlen, ohne <strong>da</strong>s Wasser in flüssiger Form ausfällt. Die<br />
Temperatur, bei der aus der getrockneten Luft nach der Abkühlung wieder<br />
Wasser kondensiert, wird Drucktaupunkt genannt.<br />
Eine Möglichkeit zur Trocknung der Druckluft besteht <strong>da</strong>rin, die Luft höher<br />
zu verdichten als sie eigentlich benötigt wird. Danach wird die Luft<br />
auf Umgebungstemperatur abgekühlt, wobei ein Teil des Wassers ausfällt.<br />
Anschließend wird die Druckluft teilweise entspannt und <strong>da</strong>mit ihr<br />
Volumen vergrößert.<br />
Dem Wasser<strong>da</strong>mpf steht nun wieder ein größeres Volumen zur Verfügung<br />
und die relative Luftfeuchtigkeit sinkt ab. Da <strong>da</strong>s Überverdichten<br />
jedoch sehr energieaufwändig ist wird diese Möglichkeit zur Trocknung<br />
der Luft nur selten angewendet.<br />
Im Kältetrockner wird die Druckluft, wie es schon der Name sagt, abgekühlt<br />
und <strong>da</strong>bei getrocknet.<br />
Zunächst durchströmt die Druckluft einen Wärmetauscher. Anschließend<br />
gelangt sie in einen Behälter, in dem sich ähnlich wie in einem Kühlschrank<br />
Kühlschlangen befinden. In diesem Behälter wird die Druckluft<br />
auf Temperaturen von etwa 2-3 °C abgekühlt.<br />
Anschließend durchströmt die Druckluft wieder den Wärmetauscher.<br />
Dabei wird sie von der einströmenden Druckluft erwärmt und kühlt <strong>da</strong>bei<br />
diese gleichzeitig schon etwas ab.<br />
Mit Kältetrocknern sind Drucktaupunkte von etwa 2-3 °C erreichbar. Eine<br />
weitere Abkühlung ist nicht möglich <strong>da</strong> sonst <strong>da</strong>s Wasser im Kältetrockner<br />
gefrieren würde.
Fluidtechnik<br />
1.3.3 Adsorptionstrockner<br />
Minos<br />
Eine weitere häufig genutzte Möglichkeit der Drucklufttrocknung ist der<br />
Einsatz von Adsorptionstrocknern. Hier durchströmt die Druckluft zunächst<br />
einen von zwei Behältern. Ein Trocknungsmittel im Behälter nimmt den<br />
Wasser<strong>da</strong>mpf auf und die Druckluft wird <strong>da</strong>durch getrocknet.<br />
Nach einer gewissen Zeit ist des Trocknungsmittel mit Feuchtigkeit gesättigt<br />
und der Adsorptionstrockner wird umgeschaltet. Jetzt strömt die<br />
Druckluft durch den zweiten Behälter. Gleichzeitig wird der erste Behälter<br />
regeneriert. Dazu wird kalte oder angewärmte Luft durch diesen Behälter<br />
geleitet und die Feuchtigkeit auf diese Weise herausgespült. Die<br />
Verwendung von erwärmter Luft ist <strong>da</strong>bei effektiver, <strong>da</strong> diese Luft mehr<br />
Feuchtigkeit aufnehmen kann.<br />
Mit Adsorptionstrocknern kann man sehr trockene Druckluft erzeugen.<br />
Die Drucktaupunkte liegen wesentlich unter 0 °C.<br />
1.3.4 Weitere Möglichkeiten zur Drucklufttrocknung<br />
Eine <strong>and</strong>ere Möglichkeit zur Trocknung von Druckluft besteht in der chemischen<br />
Bindung des Wasser<strong>da</strong>mpfes. Die Druckluft strömt durch ein<br />
Salz, welches sich mit dem Wasser<strong>da</strong>mpf verbindet und <strong>da</strong>bei auflöst.<br />
Bei dem Absorptionstrocknung genannten Verfahren muss regelmäßig<br />
dieses Salz nachgefüllt werden. Deshalb findet diese Variante nur bei<br />
kleinen Druckluftmengen Anwendung.<br />
Ebenfalls eher für kleine Druckluftmengen geeignet sind die Membrantrockner.<br />
Sie werden dezentral angeordnet. Da sie gefilterte Druckluft<br />
benötigen sind sie häufig den Wartungseinheiten nachgeschaltet.<br />
Bei den Membrantrocknern strömt die Druckluft durch kleine Hohlfäden.<br />
Der Wasser<strong>da</strong>mpf kann durch die W<strong>and</strong>ung der Hohlfäden, der Membran,<br />
hindurchdiffundieren. Nach dem Membranverdichter wird ein Teil<br />
der getrockneten Druckluft abgezweigt und als Spülluft verwendet. Mit<br />
der Spülluft wird der durch die Membran diffundierte Wasser<strong>da</strong>mpf aus<br />
dem Membrantrockner herausgespült.<br />
Außer der Druckluft, die als Spülluft abgezeigt wird, benötigt der Membrantrockner<br />
keine weitere Energie.<br />
Gut aufbereitete und trockene Druckluft kann über beliebige Druckleitungen<br />
verteilt werden. Häufig sind die Leitungen jedoch mit einem<br />
kleinen Gefälle verlegt. Möglicherweise in den Leitungen kondensiertes<br />
Wasser wird <strong>da</strong>nn an der tiefsten Stelle der Rohrleitung abgelassen.<br />
Die Leitungen zu den einzelnen Verbrauchern verlassen die Hauptleitung<br />
in diesem Fall nach oben, bevor sie wie ein Krückstock nach unten gehen.<br />
Auch diese Bauweise ist <strong>da</strong>für vorgesehen, möglicherweise in der<br />
Hauptleitung vorh<strong>and</strong>enes Wasser nicht zum Verbraucher gelangen zu<br />
lassen.<br />
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16<br />
Minos<br />
1.4 Wartungseinheiten<br />
Fluidtechnik<br />
1.4.1 Filter und Wasserabscheider<br />
In der Pneumatik wird die Druckluft zentral erzeugt. Nach der Verteilung<br />
zu den einzelnen Anlagen wird die Druckluft nochmals in einer Wartungseinheit<br />
aufbereitet. Je nach Anwendungsfall bestehen die Wartungseinheiten<br />
aus verschiedenen Komponenten.<br />
Die Wartungseinheiten haben eine definierte Durchströmungsrichtung,<br />
meistens von links nach rechts. Sollte die umgekehrte Strömungsrichtung<br />
erforderlich sein, muss die Wartungseinheit umgebaut werden.<br />
Als erstes durchströmt die Druckluft einen Filter. Hier wird die Druckluft<br />
von Verunreinigungen befreit. Durch kleine Leiteinrichtungen wird die<br />
Luft in eine kreisende Bewegung gebracht. Die Fliehkraft drückt die Staubpartikel<br />
nach außen. Dort sinken sie nach unten und lagern sich ab.<br />
Die Luft strömt <strong>da</strong>bei von außen nach innen durch den Filter und gelangt<br />
<strong>da</strong>nach zum nächsten Bauteil der Wartungseinheit. Für besonders empfindliche<br />
Bauteile ist ein Feinfilter vorzusehen. Diese werden von innen<br />
nach außen durchströmt. Es sollte <strong>da</strong>bei nur der Luftstrom fein gefiltert<br />
werden, für den diese Filterung wirklich notwendig ist.<br />
Bild 4: Filter mit Wasserabscheider (Bild: BoschRexroth)
1.4.2 Druckregler<br />
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Es sollte soviel wie notwendig aber nicht soviel wie möglich gefiltert werden.<br />
Eine zweite Aufgabe der Filter besteht <strong>da</strong>rin, eventuell in der Druckluft<br />
befindliche Wassertröpfchen abzuscheiden. Wie die Staubteilchen sammelt<br />
sich <strong>da</strong>s Wasser im unteren Teil des Filters. Da der Behälter durchsichtig<br />
ist, kann die angefallene Wassermenge gut erkannt werden.<br />
Sollte im Filter Wasser anfallen, so ist dieses regelmäßig zu entfernen.<br />
Dies kann durch Öffnen der Verschlussschraube von H<strong>and</strong> erfolgen. Fällt<br />
sehr viel Wasser an kann dies durch einen automatischen<br />
Kondensatentleerer selbstständig entfernt werden. Je nach Bauart ist<br />
<strong>da</strong>rin ein Schwimmkörper verbaut, der bei einem bestimmten Wasserst<strong>and</strong><br />
ein Ventil öffnet oder der Kondensatentleerer öffnet selbstständig<br />
bei jedem An- oder Abschalten der Druckluft.<br />
Neben der Filterung der Druckluft soll die Wartungseinheit auch einen<br />
bestimmten Druck in der Druckluft einhalten. Für eine sichere Funktion<br />
muss aber der Druck vor der Wartungseinheit höher sein als der am<br />
Druckregler eingestellte Druckwert.<br />
Im drucklosen Zust<strong>and</strong> ist der Druckregler geöffnet. Wird die Druckluft<br />
eingeschaltet, so strömt sie durch den Druckregler hindurch in die Anlage.<br />
Dort baut sich ein Druck auf, der immer weiter ansteigt. Dieser Druck<br />
wirkt über eine kleine Öffnung auf eine Membran im Druckregler. Auf die<br />
Gegenseite der Membran drückt eine Feder mit einstellbarer Kraft.<br />
Durch ein Verstellen der Federkraft wird auch die Druckkraft verändert,<br />
die notwendig ist um die Membran zu verschieben. Ist die Druckkraft<br />
größer als die Federkraft verschiebt sich die Membran und der Durchgang<br />
durch den Druckregler wird verschlossen. Ein weiterer Druckanstieg<br />
ist somit nicht möglich.<br />
Wird in diesem Zust<strong>and</strong> die Federkraft verringert oder steigt der Druck in<br />
der Anlage durch <strong>and</strong>ere Gründe weiter an, wird auch die Membran weiter<br />
verschoben. Die Verbindung von der Druckseite zur Anlage ist aber<br />
bereits geschlossen. Deshalb wird bei einer weiteren Durchbiegung der<br />
Membrane eine Öffnung im Druckregler freigegeben, durch die die Druckluft<br />
der Anlage entweichen kann.<br />
Der Druck in der Anlage sinkt <strong>da</strong>durch soweit ab bis die Feder die Membran<br />
zurückschiebt und die Entlüftungsöffnung wieder verschließt.<br />
Am Druckregler ist zusätzlich ein Manometer angebracht, womit der Druck<br />
nach dem Druckregelventil abgelesen werden kann.<br />
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Minos<br />
1.4.3 Nebelöler<br />
Fluidtechnik<br />
Bild 5: Druckregler (Bild: BoschRexroth)<br />
An vielen Wartungseinheiten findet man Nebelöler, die die Druckluft mit<br />
einem Ölnebel anreichern und <strong>da</strong>mit die verschiedenen pneumatischen<br />
Bauteile schmieren.<br />
Im Nebelöler ist eine Venturidüse eingebaut. Dort strömt die Druckluft<br />
durch eine verengte Stelle und wird <strong>da</strong>bei auf eine höhere Geschwindigkeit<br />
beschleunigt. Dadurch sinkt der Druck in der Druckluft ab. Durch ein<br />
Röhrchen wird aus einem Vorratsbehälter <strong>da</strong>s Öl angesaugt, dem Luftstrom<br />
beigefügt und <strong>da</strong>bei in feine Tröpfchen zerstäubt.<br />
In einem Schauglas ist die Menge des zugefügten Öls durch die Anzahl<br />
der Tropfen erkennbar. Mit einer Drosselschraube ist diese Ölmenge einstellbar.<br />
Der Ölst<strong>and</strong> im Behälter des Nebelölers ist regelmäßig zu kontrollieren.<br />
Bei Be<strong>da</strong>rf ist Öl nachzufüllen. Dabei ist zu beachten, <strong>da</strong>ss für eine ordnungsgemäße<br />
Schmierung der Bauteile ein bestimmter Ölverbrauch erförderlich<br />
ist.<br />
Das Ölen der Bauteile bringt aber auch Probleme mit sich. Teilweise<br />
schlägt sich der Ölnebel bereits an den W<strong>and</strong>ungen der Rohrleitungen<br />
nieder, <strong>and</strong>ererseits können <strong>and</strong>ere Bauteile überölt werden.
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Viele moderne pneumatische Komponenten benötigen <strong>da</strong>her keine geölte<br />
Druckluft mehr. Sie sind mit einer Einmalschmierung aus Fett versehen,<br />
die für die gesamte Lebens<strong>da</strong>uer ausreichend ist. An neuen Anlagen<br />
sollte deshalb auf eine Ölung der Druckluft verzichtet werden.<br />
Es ist jedoch zu beachten, <strong>da</strong>ss bereits einmal mit einem Ölnebel geschmierte<br />
Bauteile nicht mehr auf ölfreien Betrieb umgestellt werden<br />
können. Durch <strong>da</strong>s Öl wurde die Fettschmierung ausgewaschen, so <strong>da</strong>ss<br />
die Schmierung nun weiterhin mit geölter Druckluft erfolgen muss.<br />
Zu den pneumatischen Komponenten, die weiterhin mit geölter Druckluft<br />
geschmiert werden, gehören auch die Lamellenmotoren. Dort sollte<br />
ein Nebelöler nur für diesen Antrieb eingesetzt werden und nicht zu weit<br />
vom Motor angeordnet sein.<br />
Bild 6: Nebelöler (Bild: BoschRexroth)<br />
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20<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
1.4.4 Sonstige Best<strong>and</strong>teile<br />
In Wartungseinheiten können je nach Einsatzfall weitere Best<strong>and</strong>teile<br />
eingebaut werden. Zum Ein- und Abschalten der Druckluft wird ein Wegeventil<br />
eingesetzt. Es gibt verschiedene Konstruktionsprinzipien. Kugelventile<br />
haben beispielsweise den Vorteil, in geöffnetem Zust<strong>and</strong> dem<br />
Luftstrom fast keinen Widerst<strong>and</strong> entgegenzusetzen.<br />
Wichtig für alle diese Wegeventile ist eine Entlüftungsöffnung, die die<br />
Druckluft beim Absperren aus der Anlage entlässt. Ist diese Entlüftungsöffnung<br />
fälschlicherweise verschlossen, wird die Anlage beim Absperren<br />
der Druckluftzufuhr nicht drucklos geschalten. Erst nach dem Ablassen<br />
des Druckes können gefahrlos an der Anlage Arbeiten durchgeführt werden.<br />
Bei manchen Absperrventilen besteht die Möglichkeit, die gesperrte Position<br />
durch ein oder mehrere Schlösser zu sichern. Dies wird beispielsweise<br />
<strong>da</strong>zu verwendet, ein Einschalten der Druckluft zu verhindern, solange<br />
sich noch Personen im Bereich der Anlage befinden.<br />
Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Druckluft durch elektrisch betätigte<br />
Absperrventile ein- oder auszuschalten.<br />
Eine weitere Komponente stellen Druckschalter <strong>da</strong>r. Sie überprüfen, ob<br />
der eingestellte Druck vorh<strong>and</strong>en ist und geben in diesem Fall ein Signal<br />
an die Steuerung. Somit kann verhindert werden, <strong>da</strong>ss die Anlage mit<br />
einem zu geringen Druck in Betrieb geht und <strong>da</strong>durch an den Zylindern<br />
nicht die erforderliche Kraft aufgebracht wird.<br />
An manchen Wartungseinheiten werden für <strong>da</strong>s Einschalten der Druckluft<br />
Befüllventile verwendet. Diese Ventile werden auch Weichstartventile<br />
genannt weil sie die Druckluft langsam in die Anlage strömen lassen.<br />
Zylinder haben <strong>da</strong>durch die Möglichkeit, langsam in ihre Ausgangstellung<br />
zu fahren. Etwa beim Erreichen des halben Betriebsdrucks öffnen <strong>da</strong>nn<br />
die Befüllventile ganz und geben den vollen Druck in die Anlage weiter.<br />
Verteiler an den Wartungseinheiten gestatten <strong>da</strong>s Aufteilen des Volumenstroms.<br />
So ist es beispielsweise möglich, einen Teil der Druckluft nur<br />
normal zu filtern und einen <strong>and</strong>eren Teil durch einen zusätzlichen Feinfilter<br />
zu leiten. Mit dieser besonders aufbereiteten Druckluft können <strong>da</strong>nn<br />
sehr empfindliche Ventile betrieben werden während für die restlichen<br />
Ventile die aufwändige Filterung nicht erforderlich ist.
Fluidtechnik<br />
1.4.5 Symbole der Bauteile von Wartungseinheiten<br />
Minos<br />
Zum Zeichnen von pneumatischen und hydraulischen Schaltplänen werden<br />
Symbole verwendet, die in der ISO DIN 1219 festgelegt sind. Dabei<br />
enthält der erste Teil der Norm die Symbole während im zweiten Teil die<br />
Regeln zum Zeichnen der Schaltpläne festgehalten sind.<br />
Die Druckluftquelle wird durch ein Dreieck <strong>da</strong>rgestellt. In vielen Schaltplänen<br />
ist noch <strong>da</strong>s veraltete Symbol, ein Kreis mit einem Punkt <strong>da</strong>rin,<br />
zu finden. Dieses Symbol sollte nicht mehr verwendet werden. In der<br />
Hydraulik wird eine Druckquelle durch ein ausgefülltes Dreieck symbolisiert.<br />
Viele Symbole in der Pneumatik und Hydraulik werden als Kästchen<br />
gezeichnet. Der Filter ist ein auf der Spitze stehendes Quadrat. Die senkrechte<br />
gestrichelte Linie <strong>da</strong>rin stellt den eigentlichen Filter <strong>da</strong>r. Der Querstrich<br />
mit der kurzen Linie nach unter symbolisiert den Wasserabscheider.<br />
Die Durchströmrichtung ist wie bei vielen Symbolen von links nach rechts.<br />
Das Druckregelventil wird ebenfalls durch ein Quadrat <strong>da</strong>rgestellt. An<br />
zwei gegenüberliegenden Seiten ist eine Feder und eine gestrichelte<br />
Linie gezeichnet. Ein Pfeil durch die Feder verdeutlicht die Einstellbarkeit<br />
der Federkraft. Die gestrichelte Linie ist eine interne Steuerleitung,<br />
die vom Ausgang des Druckregelventils entgegen der Federkraft wirkt.<br />
Druckquelle<br />
Filter mit<br />
Wasserabscheider<br />
Druckregelventil<br />
Manometer<br />
Nebelöler<br />
Bild 7: Symbole der Druckluftversorgung<br />
21
22<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
Der Pfeil im Quadrat entspricht der Membrane. Dieser Pfeil ist als verschiebbar<br />
zu betrachten. Steigt der Ausgangsdruck an, so wird die Durchströmung<br />
des Druckregelventils unterbrochen. Das kleine Dreieck stellt<br />
die Entlüftungsöffnung <strong>da</strong>r, durch die ein zu hoher Druck abgebaut werden<br />
kann.<br />
Das Symbol des Manometers besteht aus einem Kreis, in dem ein Pfeil<br />
den Zeiger <strong>da</strong>rstellen soll. Manometer zum Messen eines Differenzdruckes<br />
haben unten zwei Anschlüsse.<br />
Das Symbol des Nebelölers besteht wie der Filter aus einem auf der<br />
Spitze stehendem Quadrat. Ein kleiner Strich verdeutlicht die Zufuhr des<br />
Öls.<br />
Die Symbole der Best<strong>and</strong>teile der Wartungseinheiten können ausführlich<br />
gezeichnet werden. Da die Einzelteile zu einer Baugruppe verbunden<br />
sind, werden sie mit einer Strich-Punkt-Linie zusammengefasst.<br />
In vielen Fällen ist es jedoch ausreichend, die Wartungseinheit als vereinfachtes<br />
Symbol zu zeichnen.<br />
Wartungseinheit, ausführlich<br />
Wartungseinheit, vereinfacht<br />
Bild 8: Symbole der Wartungseinheit
Fluidtechnik<br />
1.5 Pneumatische Antriebe<br />
1.5.1 Einfachwirkende Zylinder<br />
Minos<br />
Die in der Pneumatik sehr häufig vorkommende geradlinige Bewegung<br />
wird von Zylindern durchgeführt. Dabei wird zwischen einfachwirkenden<br />
und doppeltwirkenden Zylindern unterschieden.<br />
Drehende oder schwenkende Bewegungen können mit Zylindern und<br />
entsprechenden mechanischen Hebeln erzeugt werden. Es gibt aber auch<br />
spezielle Dreh- und Schwenkantriebe.<br />
Kontinuierliche Drehbewegungen werden mit pneumatischen Motoren<br />
realisiert. Als Antriebe werden beispielsweise Lamellenmotore verwendet.<br />
Besonders hohe Drehzahlen wie beim Zahnarztbohrer werden mit<br />
Turbinenantrieben erreicht.<br />
Als Baueinheiten werden pneumatische Antriebe bezeichnet, die aus<br />
mehreren Komponenten zusammengesetzt sind. So können Zylinder<br />
beispielweise mit Führungseinheiten kombiniert sein um auch Querkräfte<br />
aufnehmen zu können.<br />
Einfachwirkende Zylinder können nur in eine Richtung Arbeit verrichten.<br />
Sie haben nur einen Druckluftanschluss, über den der Kolben mit Druckluft<br />
beaufschlagt werden kann.<br />
Der Kolbenstangenraum ist über eine Entlüftungsöffnung mit der Umgebung<br />
verbunden. Dadurch wird vermieden, <strong>da</strong>ss sich beim Ausfahren<br />
des Zylinders ein Druckpolster im Kolbenstangenraum bildet. Beim Einfahren<br />
strömt Umgebungsluft über die Entlüftungsöffnung in den<br />
Kolbenstangenraum und verhindert <strong>da</strong>mit <strong>da</strong>s Entstehen eines Unterdruckes.<br />
Um ein Eindringen von Staub zu verhindern sind die Entlüftungsöffnungen<br />
häufig mit einem Filterelement versehen.<br />
Bild 9: Einfachwirkender Zylinder (Bild: BoschRexroth)<br />
23
24<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
Der Rückhub des Zylinders erfolgt durch die Kraft der Feder. Die Federkraft<br />
ist so bemessen, <strong>da</strong>ss der Zylinder problemlos in seine Ausgangsstellung<br />
zurückfährt aber dem Ausfahren keine zu große Kraft entgegengesetzt<br />
wird.<br />
Bei <strong>and</strong>eren Bauformen ist die Feder so in den Zylinder eingebaut, <strong>da</strong>ss<br />
der Zylinder im drucklosen Zust<strong>and</strong> ausgefahren ist. Durch Anlegen von<br />
Druckluft fährt der Zylinder in diesem Fall ein.<br />
Einfachwirkende Zylindern haben einen Hub von maximal 100 mm. Sie<br />
werden eingesetzt um Teile zu spannen, zuzuführen oder auszuwerfen.<br />
Spezielle Bauformen von einfachwirkenden Zylindern sind Balgzylinder.<br />
Durch den großen Querschnitt können auch bei in der Pneumatik üblichen<br />
Drücken sehr große Kräfte erzeugt werden. Sie werden eingesetzt<br />
um große Massen anzuheben und wirken <strong>da</strong>bei gleichzeitig als Schwingungsdämpfer.<br />
Bild 10: Balgzylinder (Bild: BoschRexroth)
Fluidtechnik<br />
1.5.2 Doppeltwirkende Zylinder<br />
Minos<br />
Doppeltwirkende Zylinder können in beiden Richtungen Arbeit verrichten.<br />
Die Kraft beim Einfahren ist <strong>da</strong>bei etwas kleiner als die Kraft beim<br />
Ausfahren, <strong>da</strong> am Kolben nur die kleinere ringförmige Fläche zur Verfügung<br />
steht.<br />
Es gibt eine große Anzahl an unterschiedlichen Bauformen. Die Kolbendurchmesser<br />
können im Bereich von wenigen Millimetern bis zu etwa<br />
250 mm liegen. Der Hub kann länger aber auch kürzer als der Kolbendurchmesser<br />
sein.<br />
Viele Zylinder können mit Zylinderschaltern versehen werden. Mit diesen<br />
Schaltern ist <strong>da</strong>s Abfragen der Position des Kolbens möglich. Die<br />
Zylinderschalter befinden sich <strong>da</strong>bei meistens in den Endlagen des Zylinders.<br />
Für <strong>da</strong>s berührungslose Betätigen der Zylinderschalter sind die Kolben<br />
des Zylinders mit einem Magnetring versehen. Fährt der Kolben in die<br />
Nähe des Zylinderschalters, so wird durch <strong>da</strong>s Magnetfeld der Schalter<br />
betätigt.<br />
Bild 11: Doppeltwirkender Zylinder (Bild: BoschRexroth)<br />
25
26<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
In den Zylinderschaltern ist im einfachsten Fall ein Reedkontakt eingebaut.<br />
Dieser besteht aus einem kleinen Glasröhrchen, in dem sich zwei<br />
Metallzungen befinden. Durch <strong>da</strong>s Magnetfeld werden diese Metallzungen<br />
zusammengedrückt.<br />
Reedkontakte sind preisgünstig und für verschiedene Spannungen einsetzbar.<br />
Bei zu großen Strömen können die Kontakte aber verkleben<br />
oder zerstört werden. Deshalb ist oft zusätzlich zu dem eigentlichen Kontakt<br />
eine Schutzschaltung eingebaut. Eine Leuchtdiode zeigt an, ob der<br />
Kontakt geschaltet hat.<br />
Es werden aber auch elektronische Zylinderschalter eingesetzt. Diese<br />
sind praktisch verschleißfrei weil sie ohne mechanische Kontakte arbeiten.<br />
Elektronische Zylinderschalter sind etwas teurer und nur für bestimmte<br />
Gleichspannungen verfügbar.<br />
Durch den Magnetring im Kolben des Zylinders können aber auch rein<br />
pneumatische Zylinderschalter betätigt werden. Diese haben einen geringen<br />
Luftverbrauch und werden deshalb mit einem geringen Druck<br />
betrieben. Pneumatische Zylinderschalter können in explosionsgefährdeten<br />
Bereichen eingesetzt werden, kommen allerdings kaum noch<br />
zu Einsatz.<br />
Bild 12: Reedkontakt
Fluidtechnik<br />
Bild 13: Endlagendämpfung (Bild: BoschRexroth)<br />
Minos<br />
Werden von einem Zylinder größere Massen bewegt, so kann es zu einem<br />
harten Anschlagen an den Endlagen kommen. Um dies zu vermeiden<br />
ist bei vielen Zylindern eine beidseitige Endlagendämpfung eingebaut.<br />
Bei der Endlagendämpfung wird kurz vor dem Erreichen der Endlage<br />
durch den Kolben die Öffnung zum Entweichen der Druckluft verschlossen.<br />
Die verbleibende Druckluft bildet ein Polster, durch <strong>da</strong>s der Kolben<br />
abgebremst wird. Über eine einstellbare Drossel kann diese Restluft<br />
entweichen und der Kolben fährt langsam in seine Endlage.<br />
Beim Ausfahren wird die Drosselstelle umgangen, so <strong>da</strong>ss die<br />
Endlagendämpfung nur beim Anfahren der Endlage wirkt.<br />
Nachteilig bei der Endlagendämpfung ist die längere Zeit, die der Zylinder<br />
zum Erreichen der endlage braucht. Die Länge der Strecke, die gedämpft<br />
zurückgelegt wird, ist nicht veränderbar. Teilweise ist auch ein<br />
Zurückprallen des Kolbens am Druckpolster zu beobachten.<br />
Eine Alternative zur Endlagendämpfung sind außerhalb des Zylinders<br />
angebrachte Stoßdämpfer. Dabei kann es sich um Anschläge aus Kunststoff<br />
oder auch um hydraulische Stoßdämpfer h<strong>and</strong>eln. Bei kleinen Zylindern<br />
können auch im Innern durch Kunststoffscheiben die harten Anschläge<br />
abgefedert werden.<br />
27
28<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
1.5.3 Sonderbauformen der Zylinder<br />
Bild 14: B<strong>and</strong>zylinder (Bild: BoschRexroth)<br />
Kolbenstangenlose Zylinder besitzen, wie es der Name bereits aussagt,<br />
keine Kolbenstange. Der Kolben bewegt sich innerhalb des Zylinders<br />
und überträgt seine Bewegung auf einen Schlitten außerhalb des Zylinders.<br />
Die Kraftübertragung kann mit drei unterschiedlichen Konstruktionsprinzipien<br />
erfolgen. Bei B<strong>and</strong>zylindern wird durch den Kolben ein Stahlb<strong>and</strong><br />
bewegt, welches über Umlenkrollen zum Schlitten geführt ist. Hierbei<br />
ist zu beachten, <strong>da</strong>ss die Bewegung des Kolbens gerade in der entgegengesetzten<br />
Richtung erfolgt wie die Bewegung des Schlittens. Das<br />
gilt besonders beim Einstellen der Endlagendämpfung.<br />
Bei einer <strong>and</strong>eren Bauart ist der Zylinder längs mit einem Schlitz versehen.<br />
Ein Dichb<strong>and</strong> liegt von innen am Zylinderrohr an und dichtet den<br />
Schlitz ab. Durch die Kolbenbewegung wird <strong>da</strong>s Dichtb<strong>and</strong> angehoben.<br />
Durch die <strong>da</strong>bei entstehende Öffnung ist der außen befindliche Schlitten<br />
mit dem Kolben mechanisch verbunden.<br />
Die dritte Möglichkeit der Kopplung des Kolbens mit dem Schlitten besteht<br />
in der Verwendung von starken Dauermagneten. Für den normalen<br />
Betrieb ist <strong>da</strong>s Magnetfeld stark genug, die Kraft des Kolbens auf<br />
den Schlitten zu übertragen.
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Bei Stößen von außen gegen den Schlitten kann allerdings auch die<br />
Verbindung zwischen Kolben und Schlitten abreissen. Mit dem Verfahren<br />
des Kolbens wird diese Verbindung aber leicht wieder hergestellt.<br />
Der Vorteil von kolbenstangenlosen Zylindern liegt vorallem in ihrer großen<br />
Hublänge, die mehrere Meter betragen kann. Gleichzeitig ist die<br />
Baulänge von kolbenstangenlosen Zylindern nur geringfügig größer als<br />
der Hub, weshalb diese Zylinder auch bei beengten Platzverhältnissen<br />
zum Einsatz kommen.<br />
Die Gefahr des Ausknickens der Kolbenstange bei langen Hüben besteht<br />
bei diese Zylinderbauweise konstruktionsbedingt nicht. Es besteht<br />
jedoch die Gefahr, <strong>da</strong>ss sich lange Zylinder aufgrund ihres Eigengewichtes<br />
durchbiegen, wenn sie nur an den Enden befestigt sind. In diesem Fall<br />
ist für eine ausreichende Stützung zu sorgen.<br />
Da bei den kolbenstangenlosen Zylindern die beiden Kolbenflächen gleich<br />
groß sind, erreichen sie auch in beiden Bewegungsrichtungen die gleiche<br />
Kraft. Werden beide Kolbenflächen mit Druck beaufschlagt, verfährt<br />
der Zylinder nicht.<br />
Aufgrund ihres komplizierteren Aufbaues und der teilweise aufwendigeren<br />
Abdichtung sind kolbenstangenlose Zylinder teurer als Zylinder mit<br />
Kolbenstange.<br />
Bei Zylindern mit durchgehender Kolbenstange sind die Kolbenflächen<br />
ebenfalls gleich groß. Beim Verfahren des Zylinders fährt eine Kolbenstange<br />
aus während gleichzeitig die <strong>and</strong>ere Kolbenstange einfährt.<br />
Die zweite Kolbenstange kann für <strong>da</strong>s Betätigen von Schaltern genutzt<br />
werden. Dies kann erforderlich werden, wenn an der <strong>and</strong>eren Kolbenstange<br />
kein Platz für Schalter vorh<strong>and</strong>en ist.<br />
Die Kolbenstange kann aber auch hohl ausgeführt werden. Flüssigkeiten<br />
wie beispielsweise Kühlmittel oder elektrische Leitungen können<br />
<strong>da</strong>durch durch die Kolbenstange geführt werden und müssen nicht außen<br />
am Zylinder entlang gelegt werden.<br />
Um bei einem bestimmten Druck und gegebenen Kolbendurchmesser<br />
die Kraft des Zylinder zu erhöhen, werden T<strong>and</strong>emzylinder verwendet.<br />
Hier werden zwei bis vier Zylinder hinterein<strong>and</strong>er angeordnet, wobei die<br />
hinteren Zylinder auf die Kolben der vorderen Zylinder drücken. Entsprechend<br />
steigt die Kraft der gesamten Baugruppe an.<br />
Es ist jedoch auch möglich, mit zwei Zylindern nebenein<strong>and</strong>er gemeinsam<br />
eine Kraft aufzubringen. Dies wird beispielsweise in Schlitten eingesetzt,<br />
bei denen der Zylinder und eine Führungseinheit in einer Baugruppe<br />
vereint sind. Durch die Aufteilung auf zwei Kolben kann die Bauhöhe<br />
des Schlittens reduziert werden.<br />
29
30<br />
Minos<br />
Bild 15: Mehrstellungszylinder<br />
Fluidtechnik<br />
Durch Führungseinheiten wird zusätzlich eine Verdrehsicherheit der<br />
Kolbenstange erreicht. Dies ist aber auch mit von der Kreisform abweichenden<br />
Kolbenformen möglich. Ovale Kolben bis hin zu rechteckigen<br />
Kolben sind ebenfalls verdrehgesichert. Bei achteckigen Kolben ist <strong>da</strong>s<br />
ebenfalls der Fall, zusätzlich ist die Kolbenfläche und <strong>da</strong>mit die Kraft<br />
etwas größer als bei einem kreisförmigen Kolben.<br />
Eine weitere Sonderbauform von Zylindern sind Schlagzylinder. Bei diesen<br />
Zylindern wird zunächst ein kleiner Raum auf der Kolbenbodenseite<br />
mit Druckluft gefüllt. Beginnt der Zylinder auszufahren, so strömt diese<br />
Druckluft sehr schnell in den Kolbenraum und lässt den Zylinder mit einer<br />
hohen Geschwindigkeit ausfahren.<br />
Zylinder fahren oftmals von Endlage zu Endlage. Um während des Hubes<br />
an festen Anschlägen einen Zwischenhalt einlegen zu können, werden<br />
Mehrstellungszylinder verwendet. Dabei werden zwei Zylinder mit<br />
unterschiedlichen Hüben am Kolbenboden mitein<strong>and</strong>er verbunden.<br />
Fahren beide Zylinder aus- oder ein, so werden die beiden äußeren<br />
Endlagen angefahren. Fährt jedoch nur ein Zylinder aus, wird eine<br />
Zwischenposition erreicht. Durch die unterschiedlichen Hübe der beiden<br />
Zylinder sind zwei Zwischenstellungen möglich.<br />
A B C D
Fluidtechnik<br />
Bild 16: Feststelleinheit (Bild: BoschRexroth)<br />
Minos<br />
Es ist jedoch auch möglich, den Zylinder durch Absperren der beiden<br />
Anschlüsse zwischen den Endlagen zu stoppen. Durch die<br />
Zusammendrückbarkeit der Luft im Zylinder kann die Kolbenstange und<br />
<strong>da</strong>mit der Kolben aber immer noch etwas bewegt werden.<br />
Für <strong>da</strong>s Festhalten der Kolbenstange werden Feststelleinheiten verwendet.<br />
Die Kolbenstange muss <strong>da</strong>zu etwas länger sein, <strong>da</strong> die Kolbenstange<br />
durch die Feststelleinheit führt. Durch einen Exzenter oder durch<br />
schräg gestellte Scheiben wird die Kolbenstange festgehalten.<br />
Das Lösen der Klemmung erfolgt mit Druckluft. Das Klemmen selbst kann<br />
auch durch Druckluft oder durch eine einstellbare Feder erfolgen. Die<br />
Klemmkraft ist <strong>da</strong>bei so einzustellen, <strong>da</strong>ss die Kolbenstange bei Belastung<br />
nicht verrutscht.<br />
Neben dem Festklemmen der Kolbenstange, was über den gesamten<br />
Hub möglich ist, kann auch eine Arretierung des Kolbens in den Endlagen<br />
eingebaut sein. Bei einem nach unten ausfahrenden Zylinder kann <strong>da</strong>durch<br />
verhindert werden, <strong>da</strong>ss der Zylinder durch eine äußere Kraft und<br />
ohne Druckbeaufschlagung ausfährt. Ungewollte Zylinderbewegungen<br />
bei Druckausfall werden somit verhindert.<br />
31
32<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
Bild 17: Drehantrieb (Bild: BoschRexroth)<br />
Neben den Zylindern für lineare Bewegungen gibt es auch schwenkende<br />
und rotierende Antriebe.<br />
Eine Möglichkeit besteht <strong>da</strong>rin, mit zwei Zylindern über eine oder zwei<br />
Zahnstangen ein Zahnritzel zu drehen. Die beiden Zylinder können einfachwirkend<br />
sein und durch den jeweils <strong>and</strong>eren Zylinder zurückgestellt<br />
werden, es können aber auch doppeltwirkende Zylinder eingesetzt werden.<br />
Üblich sind Ausführungen mit Drehwinkeln bis zu 360°.<br />
Schwenkantriebe haben einen Drehflügel, der in einem Gehäuse hin und<br />
her bewegt wird. Einbauten im Gehäuse dienen der Abdichtung und verhindern<br />
einen Drehwinkel von mehr als 270°. Üblich sind auch Drehwinkel<br />
von 90° oder 180°.<br />
Mit außen angebrachten verstellbaren mechanischen Anschlägen können<br />
auch kleinere Drehwinkel eingestellt werden. Schwenkantriebe werden<br />
beispielsweise zum Öffnen und Schließen von Klappen verwendet.<br />
Als Druckluftmotoren werden rotierende Antrieb bezeichnet. Eine weit<br />
verbreitete Bauart ist der Lamellenmotor. In einem außermittig im Gehäuse<br />
angeordneten Rotor befinden sich Schlitze, in denen Lamellen<br />
beweglich angeordnet sind. Durch die Fliehkraft werden die Lamellen<br />
nach außen gegen <strong>da</strong>s Gehäuse gedrückt.
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Die Druckluft strömt in einen kleinen Raum zwischen den Lamellen und<br />
dehnt sich dort aus. Durch die unterschiedlichen Kräfte auf die Lamellen<br />
wird eine Drehbewegung erzeugt. Durch Umkehren der Strömungsrichtung<br />
kann die Drehrichtung auf einfache Weise umgekehrt werden.<br />
Lamellenmotoren haben eine geringe Masse und einfach aufgebaut. Sie<br />
werden in H<strong>and</strong>schleifgeräten oder als Schrauber eingesetzt. Wie alle<br />
pneumatischen Antriebe sind sie überlastsicher und können unter Last<br />
problemlos bis zum Stillst<strong>and</strong> abgebremst werden. Die Drehzahl kann<br />
stufenlos verändert werden. Lamellenmotoren gehören zu den wenigen<br />
pneumatischen Bauelementen, die mit geölter Druckluft betrieben werden<br />
müssen.<br />
Weniger gebräuchlich sind heute Radial- und Axialkolbenmotoren oder<br />
Zahnradmotoren. Neben der Überlastsicherheit haben sie aber den Vorteil,<br />
in explosionsgefährdeten Bereichen verwendet werden zu können.<br />
Druckluftmotoren werden aus diesem Grund auch in Bergwerken unter<br />
Tage eingesetzt.<br />
Sehr hohe Drehzahlen erreicht man mit Turbinenmotoren. Mit Druckluft<br />
angetriebene Zahnarztbohrer erreichen Drehzahlen bis zu etwa<br />
400000 Umdrehungen pro Minute.<br />
Bild 18: Schleifmaschine mit Druckluftmotor (Photo: AtlasCopco)<br />
33
34<br />
Minos<br />
1.6 Wegeventile<br />
Beispiel<br />
Fluidtechnik<br />
Das Ein- und Ausschalten der Druckluft sowie <strong>da</strong>s Steuern der Richtung<br />
des Volumenstromes erfolgt mit Wegeventilen. In der Pneumatik können<br />
sie als Signalglieder zum Erzeugen von Signalen eingesetzt werden. Als<br />
Stellglieder steuern sie die Zylinder oder <strong>and</strong>ere Antriebe an. In der<br />
Elektropneumatik werden Wegeventile nur als Stellglieder eingesetzt.<br />
Wegeventile unterscheiden sich nach der Anzahl der Anschlüsse, der<br />
Anzahl der Schaltstellungen und nach der Art der Betätigung. Die Bezeichnung<br />
eines Wegeventils wird von der Anzahl der Anschlüsse und<br />
der Anzahl der Schaltstellung abgeleitet. Dabei werden beide Werte durch<br />
einen Schrägstrich getrennt.<br />
Ein Wegeventil mit fünf Anschlüssen und zwei Schaltstellungen wird als<br />
5/2-Wegeventil bezeichnet.<br />
Weitere wichtige Eigenschaften von Wegeventilen sind der Durchfluss<br />
und die Lebens<strong>da</strong>uer. Andere Verhaltensweisen hängen vom<br />
Konstruktionsprinzip des Wegeventils ab. Dieses Konstruktionsprinzip<br />
ist vom grafischen Symbol her nicht zu erkennen.<br />
1.6.1 Symbolische Darstellung der Wegeventile<br />
Die Symbole der Wegeventile bestehen aus Kästchen. Die Kästchen<br />
können je nach der Anzahl der Anschlüsse quadratisch oder rechteckig<br />
sein. Die Anzahl der Kästchen entspricht <strong>da</strong>bei der Anzahl der Schaltstellungen.<br />
Pneumatische Wegeventile haben zwei oder drei Schaltstellungen, möglich<br />
sind aber auch Wegeventile mit vier Schaltstellungen. Diese entsprechen<br />
den Wegeventilen mit drei Schaltstellungen und haben zusätzlich<br />
eine Sicherheitsstellung, die sie bei Ausfall der Energie einnehmen.<br />
In die Kästchen wird die Durchströmrichtung durch Pfeile angezeigt. Die<br />
Durchströmrichtung durch die Wegeventile ist <strong>da</strong>bei von unten nach oben<br />
und umgekehrt. Einfache Pfeile mit einer Richtung gestatten nur <strong>da</strong>s<br />
Durchströmen in dieser Richtung. Doppelpfeile zeigen an, <strong>da</strong>ss <strong>da</strong>s<br />
Wegeventil an dieser Stelle in beiden Richtungen durchströmt werden<br />
kann.<br />
Kurze Leitungen mit einem Querstrich stellen Absperrungen <strong>da</strong>r. An diesem<br />
Anschluss kann kein Durchströmen des Wegeventils erfolgen.<br />
An einem der Kästchen werden außen die Anschlüsse an <strong>da</strong>s Wegeventil<br />
gezeichnet. Diese Anschlüsse dürfen immer nur an einem Kästchen<br />
angebracht sein. In der Pneumatik sind zwei bis fünf Anschlüsse<br />
üblich.
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Das Umschalten eines Wegeventils wird <strong>da</strong>durch symbolisiert, <strong>da</strong>s die<br />
Kästchen nach rechts oder links verschoben werden. Die außen <strong>da</strong>rgestellten<br />
Anschlüsse werden nicht mit verschoben, so <strong>da</strong>ss sich je nach<br />
Kästchen unterschiedliche Durchströmrichtungen ergeben.<br />
Bei Symbolen mit zwei Schaltstellungen werden die Anschlüsse immer<br />
an <strong>da</strong>s rechte Kästchen gezeichnet, bei Wegeventilen mit drei Schaltstellungen<br />
an <strong>da</strong>s mittlere Kästchen. Eine Ausnahme besteht nur <strong>da</strong>nn,<br />
wenn ein Wegeventil bereits in der Ausgangsstellung der Schaltung betätigt<br />
ist.<br />
Sind in einer Schaltstellung mehr als zwei Anschlüsse mitein<strong>and</strong>er verbunden,<br />
werden die Pfeile durch einen Punkt mitein<strong>and</strong>er verbunden.<br />
Dies kommt in der Pneumatik jedoch sehr selten vor.<br />
Normalerweise schalten die Wegeventile in der Pneumatik von einer<br />
Schaltstellung in die <strong>and</strong>ere Schaltstellung um. Es sind aber auch<br />
Proportionalventile möglich, die stufenlos zwischen den verschiedenen<br />
Schaltstellungen verstellbar sind. Dies wird durch eine dünne Linie oberund<br />
unterhalb des Wegeventils angezeigt. Proportionalventile werden<br />
immer elektrisch angesteuert. Sie haben vier Schaltstellungen und werden<br />
eher selten eingesetzt.<br />
Bild 19: Best<strong>and</strong>teile der Symbole der Wegeventile<br />
35
36<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
1.6.2 Betätigungen der Wegeventile<br />
Bild 20: Gefasste und ungefasste Abluft<br />
Meistens entweicht die Abluft der Wegeventile gleich ins Freie. Geschieht<br />
dies durch eine einfache Öffnung, so wird dies als ungefasste Abluft bezeichnet.<br />
Gefasste Abluft <strong>da</strong>gegen bedeutet, <strong>da</strong>ss an diesem Anschluss<br />
ein Gewinde vorh<strong>and</strong>en ist, in dem ein Schalldämpfer eingeschraubt<br />
werden kann oder eine Verschraubung mit einer weiteren Schlauchleitung.<br />
Die ungefasste Abluft wird durch ein Dreieck direkt am Wegeventil <strong>da</strong>rgestellt.<br />
Sie ist häufig bei Ventilen mit einer Durchströmrichtung zu finden.<br />
Bei der gefassten Abluft ist <strong>da</strong>s Dreieck etwas vom Kästchen des<br />
Wegeventils abgesetzt und durch eine kurze Linie verbunden. Befindet<br />
sich ein Schalldämpfer am Wegeventil, kann anstelle des Dreiecks auch<br />
<strong>da</strong>s Symbol des Schalldämpfers gezeichnet werden.<br />
Die Betätigungen der Wegeventile werden rechts und links an <strong>da</strong>s Symbol<br />
gezeichnet. Sie stellen <strong>da</strong>r, womit <strong>da</strong>s Symbol verschoben wird. Die<br />
eigentliche Betätigung wird <strong>da</strong>bei links an <strong>da</strong>s Symbol gezeichnet und<br />
die Rückstellung, die oftmals durch Federkraft erfolgt, wird rechts angefügt.<br />
Die Betätigungen werden in vier grundlegende Arten unterschieden. Die<br />
erste Gruppe umfasst die Betätigungen mit Muskelkraft. Das sind Ventile,<br />
die vom Menschen betätigt werden. Die allgemeine Darstellung der<br />
Betätigung mit Muskelkraft besteht aus zwei Linien mit einem Querstrich.<br />
Ein halbrunder Kreis am Querstrich stellt einen Taster <strong>da</strong>r. Eine Betätigung<br />
mit einem Hebel wird durch einen schrägen Strich mit einem kleinen<br />
Kreis als Gelenk symbolisiert. Auch die Darstellung der Betätigung<br />
eines Pe<strong>da</strong>ls mit dem Fuß ist möglich.
Fluidtechnik<br />
Bild 21: Betätigungen von Wegeventilen<br />
Minos<br />
Mechanische Betätigungen werden von Maschinenteilen durchgeführt.<br />
Dies ist im einfachsten Fall ein Stößel, also ein Stift, der aus dem Ventil<br />
heraussteht. Mit Tastrollen können auch Bewegungen quer zur<br />
Betätigungsrichtung des Ventils genutzt werden. Eine Besonderheit ist<br />
<strong>da</strong>bei die Tastrolle mit Leerrücklauf. Sie betätigt <strong>da</strong>s Webeventil nur in<br />
eine Richtung. In der Gegenrichtung klappt die Rolle zur Seite. Im Symbol<br />
wird <strong>da</strong>s Gelenk <strong>da</strong>für durch einen kleinen Kreis <strong>da</strong>rgestellt.<br />
An die rechte Seite des Symbols wird die Feder für die Rückstellung des<br />
Wegeventils gezeichnet. Die Rückstellfeder ist häufig mit dem Taster<br />
kombiniert.<br />
Bei Ventilen, die sich nicht selbstständig in die Ausgangsstellung zurückbewegen<br />
sollen, werden Rasten eingesetzt. Die Rasten werden entweder<br />
rechts am Ventil <strong>da</strong>rgestellt oder sie werden mit dem Symbol des<br />
Hebels kombiniert.<br />
Die pneumatischen Betätigungen bilden die dritte Gruppe. Hier wird <strong>da</strong>s<br />
Ventil mit Druckluft umgeschaltet. Betätigungen mit Druckluft werden<br />
durch ein leeres Dreieck <strong>da</strong>rgestellt, was zum Ventilkörper hin zeigt. Ein<br />
zusätzliches Kästchen mit einem Dreieck <strong>da</strong>rin stellt eine Vorsteuerung<br />
<strong>da</strong>r. Die Vorsteuerung ist ein Verstärker, der pneumatische Signale mit<br />
einem geringen Druck soweit verstärkt, <strong>da</strong>ss <strong>da</strong>s Wegeventil sicher<br />
umgeschalten wird.<br />
37
38<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
Pneumatisch betätigte Ventile werden entweder mit einer Feder in die<br />
Ausgangstellung zurückgestellt oder über einen zweiten Steuerluftanschluss<br />
auf der rechten Seite. Ventile mit zwei Schaltstellungen und zwei<br />
Steuerluftanschlüssen werden Impulsventile genannt.<br />
Normalerweise sind die beiden Steuerluftanschlüsse gleichberechtigt.<br />
In manchen Fällen ist jedoch gewünscht, <strong>da</strong>ss ein Steuerluftanschluss<br />
den Vorrang vor dem zweiten Anschluss hat. Solche Ventile werden<br />
Impulsventil mit Differenzkolben genannt. Die beiden Rechtecke an den<br />
Seiten des Symbols stellen verschieden große Flächen <strong>da</strong>r. Das Drucksignal<br />
an der größeren Fläche kann eine größere Kraft auf <strong>da</strong>s Wegeventil<br />
ausüben und hat somit Vorrang vor dem <strong>and</strong>eren Signal.<br />
Das Rückstellen des Wegeventils erfolgt oftmals mit einer mechanischen<br />
Feder. Teilweise werden Ventile auch mit einer Luftfeder zurückgestellt.<br />
Dies wird durch ein an der rechten Seite angebrachtes Dreieck <strong>da</strong>rgestellt,<br />
<strong>da</strong>s nach innen zum Ventil zeigt.<br />
In der Elektropneumatik werden die Wegeventile mit elektrischen Signalen<br />
umgeschaltet. Die <strong>da</strong>zu erforderlichen Magnetspulen werden als<br />
Rechtecke mit einer schrägen Linie symbolisiert. Kleine Ventile werden<br />
direkt durch die Magnetspule betätigt.<br />
Bei größeren Ventilen wird die Kraft der Magnetspule durch eine Vorsteuerung<br />
verstärkt. Die Vorsteuerung befindet sich <strong>da</strong>bei im Symbol<br />
zwischen der Magnetspule und dem Wegeventil. Ein leeres Dreieck stellt<br />
<strong>da</strong>r, <strong>da</strong>ss die Vorsteuerung mit Druckluft erfolgt.<br />
Bei vielen Wegeventilen wird die Vorsteuerung mit Druckluft vom Ventil<br />
selbst versorgt. In manchen Fällen ist <strong>da</strong>s aber nicht möglich. Damit die<br />
Vorsteuerung trotzdem funktioniert, muss für <strong>da</strong>s Vorsteuerventil von außen<br />
Druck zugeführt werden. Im Symbol wird <strong>da</strong>s <strong>da</strong>durch <strong>da</strong>rgestellt,<br />
<strong>da</strong>ss unten am Dreieck der Vorsteuerung zusätzlich ein Druckluftanschluss<br />
als Linie gezeichnet wird.<br />
Elektrisch betätigte Ventile haben eine H<strong>and</strong>hilfsbetätigung, mit der sie<br />
zur Fehlersuche oder bei der Inbetriebnahme auch ohne elektrische<br />
Energie geschaltet werden können. Da die H<strong>and</strong>hilfsbetätigung vom<br />
Menschen ausgelöst wird, ist <strong>da</strong>s Symbol <strong>da</strong>für <strong>da</strong>s gleiche wie bei der<br />
Betätigung des Ventils mit Muskelkraft. Es wird an <strong>da</strong>s Symbol für die<br />
Vorsteuerung gezeichnet. Bei Ventilen ohne Vorsteuerung wird es direkt<br />
an <strong>da</strong>s Ventil angefügt.<br />
Die Vorsteuerung kann auch als rastende Version ausgeführt sein. In<br />
diesem Fall befindet sich am Symbol <strong>da</strong>für eine kleine Kerbe.<br />
Bei Ventilen mit drei Schaltstellungen wird die mittlere Position oftmals<br />
durch eine Federzentrierung eingenommen. Die beiden Federn werden<br />
<strong>da</strong>nn zusätzlich zur Betätigung links und rechts am Wegeventil angebracht.
Fluidtechnik<br />
1.6.3 Bezeichnung der Anschlüsse<br />
Minos<br />
Die Anschlüsse der Ventile wurden früher mit Buchstaben bezeichnet.<br />
Mit der DIN ISO 5599 wurde aber auf eine Bezeichnung mit Ziffern umgestellt.<br />
Sinngemäß zu den Wegeventilen sollten alle Ventile mit Ziffern<br />
bezeichnet werden. Da pneumatische Komponenten recht langlebig sein<br />
können, ist aber auch noch mit Bezeichnungen durch Buchstaben zu<br />
rechnen.<br />
Der Druckluftanschluss wird mit der Ziffer 1 bezeichnet. Der Arbeitsanschluss<br />
bekommt die Ziffer 2. Bei zwei Arbeitsanschlüssen wird der zweite<br />
Anschluss mit der nächsten geraden Ziffer bezeichnet, also mit der 4.<br />
Entsprechend werden die Abluftanschlüsse mit 3 und 5 numeriert.<br />
Die Pfeile zeigen im Symbol die Durchflussrichtung an. Beim 5/2-Wegeventil<br />
gelangt die Druckluft in der Ausgangsstellung immer vom Anschluss<br />
1 zum Anschluss 2. Diese Schaltstellung wird auch eingenommen,<br />
wenn rechts am Steuerluftanschluss ein Druck anliegt. Aus diesem<br />
Grund wird der rechte Steuerluftanschluss mit 12 bezeichnet.<br />
Der linke Steuerluftanschluss schaltet <strong>da</strong>s Wegeventil in die <strong>and</strong>ere<br />
Schaltstellung. Jetzt ist der Druckluftanschluss 1 mit dem Arbeitsanschluss<br />
4 verbunden. Der linke Steuerluftanschluss erhält deshalb die Bezeichnung<br />
14.<br />
Beim 3/2-Wegeventil wird in der linken Schaltstellung der Druckluftanschluss<br />
1 mit dem einzigen Arbeitsanschluss 2 verbunden. Hier erhält<br />
der linke Steuerluftanschluss deshalb die 12. In der rechten Schaltstellung<br />
<strong>da</strong>gegen ist der Druckluftanschluss mit keinem <strong>and</strong>eren Anschluss verbunden.<br />
Der rechte Steuerluftanschluss wird deshalb mit einer 10 bezeichnet.<br />
Y<br />
A<br />
Y Z<br />
P R<br />
A B<br />
R<br />
P S<br />
Bild 22: Bezeichnung der Anschlüsse<br />
Z<br />
14<br />
2<br />
12 10<br />
1 3<br />
4 2<br />
5<br />
1 3<br />
12<br />
39
40<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
1.6.4 Konstruktionsprinzipien von Wegeventilen<br />
Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher pneumatischer Wegeventile. Sie<br />
lassen sich jedoch in zwei grundlegende Konstruktionsprinzipien unterteilen.<br />
Bei den Sitzventilen erfolgt die Abdichtung durch Platten, Kugeln oder<br />
kegelförmige Körper. Die Dichtflächen sind oft mit Kunststoff versehen.<br />
Die Druckluft drückt den Dichtkörper gegen die Dichtfläche. Beim Verschleiß<br />
der Dichtung wird diese weiter in Richtung der Dichtfläche gedrückt.<br />
Sitzventile gelten deshalb als sehr gut abdichtend. Sie benötigen<br />
eine relativ große Betätigungskraft, die zusätzlich vom Druck abhängig<br />
ist.<br />
Für die Sperrruhestellung und die Durchgangsruhestellung sind wegen<br />
des Einwirkens des Betriebsdruckes unterschiedliche Ventilbauarten<br />
notwendig.<br />
Sitzventile geben beim Umschalten schnell eine große Durchströmfläche<br />
frei. Der Schaltweg ist kurz. Einfache Bauformen sind nicht<br />
überschneidungsfrei, sie lassen also während des Umschaltens kurzzeitig<br />
einen Teil der Druckluft direkt zur Entlüftungsöffnung strömen.<br />
2 (A)<br />
1 (P)<br />
3 (R)<br />
Bild 23: Sitzventil (Bild: BoschRexroth)
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Sitzventile haben eine verhältnismäßig kleine Bauform. Sie werden vorallem<br />
bei geringen Durchflüssen eingesetzt, beispielsweise als Signalgeber.<br />
Es existieren eine Reihe von Sonderbauformen, die die einzelnen<br />
Nachteile der Sitzventile nicht aufweisen.<br />
Bei den Schieberventilen wird ein kolbenförmiger oder flacher Schieber<br />
bewegt. Meistens sind zwei oder drei Schaltstellungen möglich. Die Abdichtung<br />
erfolgt entweder durch metallische Schieber in einem metallischen<br />
Gehäuse oder durch Dichtringe auf dem Schieber oder im Gehäuse.<br />
Wegeventile mit Stahlschiebern haben eine sehr hohe Lebens<strong>da</strong>uer. Die<br />
Kolbenschieber lassen sich sehr leicht bewegen. Bei Wegeventilen, die<br />
nicht durch eine Feder zurückgestellt werden, wird die Reibung durch<br />
Dichtungsringe erhöht um ein ungewolltes selbstständiges Umschalten<br />
des Ventils zu vermeiden. Dazu werden auch kleine Rasten eingesetzt.<br />
Die Herstellungskosten von Wegeventilen mit Stahlschieber sind wegen<br />
der hohen Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit höher als bei<br />
<strong>and</strong>eren Schieberventilen. Über die metallische Abdichtung kann auch<br />
eine geringe Menge Druckluft zum abgesperrten Anschluss gelangen.<br />
3 (R)<br />
1 (P)<br />
2 (A)<br />
Bild 24: Schieberventil (Bild: BoschRexroth)<br />
1 (P)<br />
3 (R)<br />
41
42<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
1.6.5 Bauarten von Wegeventilen<br />
Schieberventile mit elastischer Abdichtung durch Ringe werden sehr<br />
häufig eingesetzt. Sie sind mit einer Fettschmierung für die gesamte<br />
Lebens<strong>da</strong>uer versehen, so <strong>da</strong>ss sie mit ungeölter Druckluft betrieben<br />
werden können.<br />
Unsaubere Druckluft führt bei Schieberventilen mit elastischer Abdichtung<br />
zum Verschleiß der Dichtungsringe. Es ist unbedingt <strong>da</strong>rauf zu achten,<br />
<strong>da</strong>ss die Druckluft den Anforderungen des Wegeventils entspricht.<br />
Gerade bei modernen Wegeventilen mit sehr kleinen Dichtringen führt<br />
Staub in der Druckluft zur Verringerung der Lebens<strong>da</strong>uer.<br />
Die Schieberventile sind durch ihren konstruktiven Aufbau<br />
überschneidungsfrei. Der Schieber muss einen relativ weiten Weg zurücklegen<br />
um die verschiedenen Anschlüsse mitein<strong>and</strong>er zu verbinden<br />
oder gegenein<strong>and</strong>er abzusperren. Bei einem langsamen Betätigen werden<br />
die Anschlüsse auch nur langsam freigegeben.<br />
Die Betätigungskräfte für Schieberventile sind sehr klein und druckunabhängig.<br />
Bei federrückgestellten Ventilen muss vorallem die Kraft<br />
der Rückstellfeder überwunden werden. Bei Ventilen ohne Rückstellfeder<br />
muss nur die Reibung überwunden werden.<br />
Schieberventile können durch Vertauschen der Anschlüsse oftmals für<br />
die Sperrruhestellung und für die Durchgangsruhestellung eingesetzt<br />
werden.<br />
Wegeventile werden nach der Anzahl der Anschlüsse und der Anzahl<br />
der Schaltstellungen bezeichnet. Zu den einfachsten Wegeventilen gehören<br />
die 2/2-Wegeventile.<br />
Diese Ventile sind meistens in der Ruhestellung gesperrt. Beim Betätigen<br />
wird der Durchfluss vom Eingang zum Ausgang freigegeben. Die<br />
Rückstellung erfolgt mittels einer Feder. Bei den meisten 2/2-Wegeventilen<br />
h<strong>and</strong>elt es sich um Sitzventile, bei denen eine Kugel oder eine<br />
Platte der Abdichtung dient.<br />
Diese Sitzventile wirken in der nicht betätigten Stellung wie ein Rückschlagventil.<br />
Deshalb wird im Symbol in dem Kästchen mit der gesperrten<br />
Schaltstellung manchmal auch ein Rückschlagventil anstelle der<br />
beiden Absperrungen gezeichnet.<br />
3/2-Wegeventile steuern einfachwirkende Zylinder an. Sind sie in der<br />
Ruhestellung gesperrt, so steht auch der einfachwirkende Zylinder in<br />
seiner Ausgangstellung. Beim Betätigen des Wegeventils strömt die<br />
Druckluft zum Zylinder und lässt ihn verfahren. Wird <strong>da</strong>s 3/2-Wegeventil<br />
nicht mehr betätigt, so strömt die Druckluft vom Zylinder zurück zum<br />
Wegeventil und dort über die Entlüftungsöffnung ins Freie.
Fluidtechnik<br />
Bild 25: H<strong>and</strong>schieberventil (Bild: BoschRexroth)<br />
Minos<br />
Häufig werden 3/2-Wegeventile als Signalglieder eingesetzt. Anstelle<br />
eines Zylinders wird in diesem Fall der Steuerluftanschluss eines pneumatisch<br />
betätigten Wegeventiles mit Druck beaufschlagt. Dadurch können<br />
mit kleinen 3/2-Wegeventilen auch größere Wegeventile betätigt<br />
werden oder <strong>da</strong>s 3/2-Wegeventil ist räumlich vom Hauptventil entfernt.<br />
Die Leitungen zu den Steuerluftanschlüssen des Hauptventils werden<br />
als Steuerleitung bezeichnet. Im Schaltplan werden diese Steuerleitungen<br />
gestrichelt gezeichnet. Sie dürfen nicht länger als zehn Meter sein.<br />
3/2-Wegeventile kommen als Sitz- und als Schieberventile vor. Eine besondere<br />
Bauform sind H<strong>and</strong>schieberventile, mit denen die Druckluft geschaltet<br />
werden kann. Dazu wird eine Hülse auf einem Rohrstück verschoben.<br />
Je nach Schaltstellung sind die beiden Anschlüsse über einen<br />
Überströmkanal mitein<strong>and</strong>er verbunden oder der Druckluftanschluss ist<br />
abgesperrt und der <strong>and</strong>ere Anschluss ist mit der Umgebung verbunden.<br />
Diese H<strong>and</strong>schieberventile werden zum Einschalten der Druckluft benutzt.<br />
Sie haben keine hervorstehenden Hebel und entlüften beim Abschalten<br />
der Druckluft die Anlage.<br />
3 (R)<br />
1 (P) 2 (A)<br />
43
44<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
Bild 26: 4/2-Wegeventil (Bild: BoschRexroth)<br />
Um doppeltwirkende Zylinder mit ihren zwei Druckluftanschlüssen ansteuern<br />
zu können, benötigt man Wegeventile mit zwei Arbeitsanschlüssen.<br />
Bei 4/2-Wegeventilen ist immer einer der beiden Ausgänge<br />
druckführend. Beim Umschalten des Wegeventils wird <strong>da</strong>nn der <strong>and</strong>ere<br />
Ausgang unter Druck gesetzt.<br />
4/2-Wegeventile haben nur eine gemeinsame Entlüftungsöffnung. Bei<br />
diesen Ventilen h<strong>and</strong>elt es sich häufig um Sitzventile. Im Grunde bestehen<br />
sie aus zwei 3/2-Wegeventilen, von denen eines eine<br />
Sperrruhestellung hat und <strong>da</strong>s <strong>and</strong>ere eine Durchgangsruhestellung. Bei<br />
den 4/2-Wegeventilen ist <strong>da</strong>für gesorgt, <strong>da</strong>ss beide Ventilbest<strong>and</strong>teile<br />
gleichzeitig umgeschalten werden.<br />
Es ist <strong>da</strong>bei zu erkennen, <strong>da</strong>ss ein doppeltwirkender Zylinder auch von<br />
zwei 3/2-Wegeventilen angesteuert werden kann. Durch <strong>da</strong>s gleichzeitige<br />
Schalten der beiden Wegeventile wird der doppeltwirkende Zylinder<br />
genauso angesteuert wie durch ein 4/2-Wegeventil.<br />
Beim Ansteuern eines doppeltwirkenden Zylinders mit zwei 3/2-Wegeventilen<br />
gibt es allerdings noch zwei weitere Schaltmöglichkeiten. Entweder<br />
führen beide 3/2-Wegeventile Druck, <strong>da</strong>nn fährt ein normaler doppeltwirkender<br />
Zylinder wegen der unterschiedlichen Kolbenflächen mit<br />
geringer Kraft aus.<br />
2 (B)<br />
1 (P)<br />
3 (R)<br />
4 (A)<br />
3 (R)<br />
1 (P)
Fluidtechnik<br />
Bild 27: 5/2-Wegeventil (Bild: BoschRexroth)<br />
Minos<br />
Es können aber auch beide 3/2-Wegeventile drucklos geschalten werden.<br />
Der Zylinder ist in diesem Fall frei beweglich. Für manche speziellen<br />
Schaltungen wird dies auch so durchgeführt.<br />
Pneumatische 4/2-Wegeventile sind von ihrer Bauart her häufig Sitzventile.<br />
Wegen ihrer höheren erforderlichen Betätigungskraft werden sie<br />
in der Pneumatik eher selten verwendet.<br />
In der Pneumatik werden doppeltwirkende Zylinder üblicherweise von<br />
5/2-Wegeventilen angesteuert. Diese Ventile sind Schieberventile und<br />
haben zwei Entlüftungsanschlüsse. Bei manchen Wegeventilen kann die<br />
Abluft der beiden Entlüftungsanschlüsse einzeln gedrosselt werden.<br />
Wie <strong>and</strong>ere Wegeventile auch können 5/2-Wegeventile mit einer Feder<br />
zurückgestellt werden. Diese Ventile werden auch als monostabile Wegeventile<br />
bezeichnet. Es gibt aber auch Wegeventile, die in beiden Schaltstellungen<br />
stehen können. Diese bistabilen Wegeventile werden in der<br />
Pneumatik als Impulsventile bezeichnet, <strong>da</strong> ein kurzer Impuls an einem<br />
der beiden Steueranschlüsse zum Umschalten des Ventils ausreicht.<br />
Impulsventile haben keine bestimmte Ruhestellung. Sie bleiben in der<br />
Position, in der sie zuletzt geschalten wurden. Sie werden deshalb auch<br />
als pneumatische Speicher bezeichnet.<br />
14<br />
5 4 1 2 3 12<br />
45
46<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
In vielen pneumatischen Steuerungen ist <strong>da</strong>s Speichern der Signale in<br />
Impulsventilen sehr wichtig. Deshalb werden Impulsventile nicht nur zum<br />
direkten Ansteuern der Zylinder eingesetzt sondern auch in der Steuerung<br />
selbst. Da in den Steuerungen nur eher geringe Volumenströme<br />
geschalten werden, werden dort vorallem kleine Impulsventile eingesetzt.<br />
Impulsventile können aber auch beim Einschalten der Druckluft in einer<br />
Position stehen, bei der ein Zylinder sofort ausfährt. Es kann deshalb<br />
vorallem bei größeren Steuerungen notwendig sein, durch einen<br />
Richtimpuls vor dem Einschalten der Druckluft zu den Zylindern die<br />
Impulsventile in die gewünschte Ausgangsstellung zu bringen.<br />
Üblicherweise sind bei den Impulsventilen die beiden Flächen der Kolben<br />
an den Steuerluftanschlüssen gleich groß. Es kann deshalb zu Problemen<br />
kommen, wenn an einem Impulsventil an beiden Steuerluftanschlüssen<br />
gleichzeitig ein Signal anliegt. In diesem Fall kann <strong>da</strong>s Impulsventil<br />
nicht umgeschaltet werden.<br />
Der Zust<strong>and</strong>, wenn an beiden Steuerluftanschlüssen eines Impulsventils<br />
ein Signal anliegt, wird Signalüberschneidung genannt. Dieser Zust<strong>and</strong><br />
ist durch eine geeignete Ansteuerung zu vermeiden. Es können aber<br />
auch Impulsventile verwendet werden, bei denen die beiden Flächen<br />
der Steuerluftanschlüsse verschieden groß sind.<br />
In diesem Fall hat <strong>da</strong>s Signal, <strong>da</strong>s am Anschluss mit der größeren Fläche<br />
anliegt, den Vorrang. Impulsventile mit verschieden großen Kolben<br />
an den Steuerluftanschlüssen werden Ventile mit Differenzkolben genannt.<br />
Solche Ventile sind nur bei pneumatisch angesteuerten Impulsventilen<br />
üblich.<br />
Bei pneumatisch betätigten und federrückgestellten Wegeventilen ist zu<br />
beachten, <strong>da</strong>ss der Druck am Steuerluftanschluss ausreichend groß sein<br />
muss, um den Ventilschieber gegen die Federkraft umzuschalten. Bei<br />
Wegeventilen, die mit einer Luftfeder zurückgestellt werden, ist die Kraft<br />
der Luftfeder vom Betriebsdruck abhängig. In diesem Fall ist der minimale<br />
Steuerdruck vom Betriebsdruck abhängig.<br />
Bei 5/2-Wegeventilen führt immer einer der beiden Arbeitsanschlüsse<br />
Druck. Soll ein Zylinder in der Ausgangsstellung der Steuerung bereits<br />
ausgefahren sein, so genügt ein Vertauschen der beiden Arbeitsanschlüsse.<br />
Eine Unterscheidung nach Sperrruhestellung und Durchgangsruhestellung<br />
gibt es deshalb bei 5/2-Wegeventilen nicht.<br />
5/2-Wegeventile können auch benutzt werden um einfachwirkende Zylinder<br />
anzusteuern. In diesem Fall wird einfach ein Ausgang des Wegeventils<br />
mit einem Blindstopfen verschlossen und der <strong>and</strong>ere Ausgang<br />
mit dem Zylinder verbunden. Auf diese Weise kann ein 3/2-Wegeventil<br />
ersetzt werden.
Fluidtechnik<br />
Bild 28: 5/3-Wegeventil (Bild: BoschRexroth)<br />
Minos<br />
In der Elektropneumatik werden ebenfalls 5/2-Wegeventile mit Federrückstellung<br />
oder Impulsventile verwendet. Entsprechend haben diese<br />
Ventile eine oder zwei Magnetspulen, wobei Ventile mit zwei Magnetspulen<br />
teurer sind.<br />
Da die Speicherung von Signalen in der Elektropneumatik eher im elektrischen<br />
Teil der Steuerung erfolgt, werden bei diesen Steuerungen eher<br />
federrückgestellte Wegeventile eingesetzt. Impulsventile kommen nur dort<br />
zum Einsatz, wo <strong>da</strong>s Ventil auch beim Ausfall der elektrischen Energie<br />
seine Schaltstellung beibehalten soll. Dies kann beispielsweise der Fall<br />
sein, wenn Teile durch einen Zylinder gespannt werden.<br />
Auch bei elektrisch angesteuerten Impulsventilen besteht <strong>da</strong>s Problem<br />
der Signalüberschneidung. Dies muss beim Entwickeln der elektrischen<br />
Steuerung berücksichtigt werden.<br />
5/3-Wegeventile haben im Gegensatz zu den 5/2-Wegeventilen eine<br />
zusätzliche mittlere Schaltstellung. Bei pneumatisch oder elektrisch angesteuerten<br />
5/3-Wegeventilen wird diese Mittelstellung durch die Wirkung<br />
von zwei Federn eingenommen. Nur bei 5/3-Wegeventilen mit<br />
Hebelbetätigung ist auch ein Rasten in den einzelnen Schaltstellungen<br />
möglich.<br />
14<br />
5 4 1 2 3 12<br />
47
48<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
Die beiden äußeren Schaltstellungen des 5/3-Wegeventils gleichen in<br />
Ihrer Funktion dem 5/2-Wegeventil. Die mittlere Schaltstellung wird <strong>da</strong>gegen<br />
beispielsweise genutzt, beide Arbeitsanschlüsse drucklos zu schalten<br />
und <strong>da</strong>durch die Bewegung des Zylinders zu stoppen.<br />
Bei den 5/3-Wegeventilen sind drei verschiedene Mittelstellungen üblich.<br />
Häufig eingesetzt wird eine Sperrmittelstellung, bei der alle fünf<br />
Anschlüsse gegenein<strong>and</strong>er abgesperrt werden. Damit ist es möglich, den<br />
Zylinder während seines Hubes zwischen den Endlagen anzuhalten.<br />
Eine <strong>and</strong>ere Mittelstellung entlüftet beide Arbeitsanschlüsse, indem sie<br />
mit den Entlüftungsanschlüssen verbunden werden. Damit ist der Zylinder<br />
drucklos und somit frei beweglich.<br />
Eine dritte Mittelstellung schaltet gleichzeitig auf beide Arbeitsanschlüsse<br />
den vollen Druck. Ein normaler Zylinder mit Kolbenstange fährt in diesem<br />
Fall mit einer geringen Kraft aus. Zylinder mit gleich großen Kolbenflächen<br />
wie B<strong>and</strong>zylinder oder Zylinder mit durchgehender Kolbenstange<br />
<strong>da</strong>gegen verfahren nicht. Beide Kolbenräume stehen jedoch unter<br />
Druck.<br />
In manchen Baureihen werden nur noch 5/3-Wegeventile mit gesperrter<br />
Mittelstellung gefertigt. Die beiden <strong>and</strong>eren Mittelstellungen werden <strong>da</strong>gegen<br />
durch zwei 3/2-Wegeventile realisiert.<br />
Bild 29: Mittelstellungen von 5/3-Wegeventilen
Fluidtechnik<br />
1.6.6 Vorsteuerung von Wegeventilen<br />
Minos<br />
Größere Ventile benötigen zum Betätigen auch eine größere Betätigungskraft.<br />
Um diese Ventile trotzdem mit einer geringe Kraft betätigen zu können,<br />
wird eine Vorsteuerung eingesetzt. Mit Hilfe dieser Vorsteuerung<br />
wird eine kleine Betätigungskraft so verstärkt, <strong>da</strong>ss <strong>da</strong>s große Ventil sicher<br />
umgeschalten werden kann.<br />
Eine Vorsteuerung ist zwar auch bei mechanisch betätigten Wegeventilen<br />
zu finden, hauptsächlich wird sie jedoch bei elektrisch betätigten Wegeventilen<br />
eingesetzt. Damit verbunden ist die Möglichkeit, die Magnetspulen<br />
klein zu halten. Der Energieverbrauch kleiner Magnetspulen ist<br />
geringer und es entsteht weniger Abwärme.<br />
Das Vorsteuerventil ist ein kleines 3/2-Wegeventil. Sein Arbeitsanschluss<br />
ist direkt mit dem Steuerluftanschluss des Hauptventils verbunden. Wird<br />
<strong>da</strong>s Vorsteuerventil betätigt, so wirkt dessen Druck auf <strong>da</strong>s Hauptventil<br />
und schaltet dies ebenfalls um.<br />
Die Druckluft für <strong>da</strong>s Vorsteuerventil wird über einen kleinen Kanal vom<br />
Druckluftanschluss des Hauptventils abgezweigt. Aus diesem Grund ist<br />
es für <strong>da</strong>s Umschalten des Hauptventils zwingend erforderlich, <strong>da</strong>ss am<br />
Druckluftanschluss Druck anliegt.<br />
3 (S)<br />
2 (B)<br />
1 (P)<br />
Bild 30: Vorgesteuertes Wegeventil (Bild: BoschRexroth)<br />
4 (A)<br />
5 (R)<br />
49
50<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
Ventile, die die Energie vom Druckluftanschluss des Hauptventils abzweigen,<br />
werden als eigengesteuert bezeichnet. Da für <strong>da</strong>s sichere Umschalten<br />
des Hauptventils ein bestimmter Mindestdruck am Steuerluftanschluss<br />
vorh<strong>and</strong>en sein muss, kann mit eigengesteuerten Ventilen kein<br />
kleiner Druck am Hauptventil oder gar Vakuum geschalten werden.<br />
Bei fremdgesteuerten Wegeventilen wird dem Vorsteuerventil von außen<br />
direkt Druckluft zugeführt. Damit ist der Ausgangsdruck des Vorsteuerventils<br />
unabhängig vom Druck im Hauptventil. Somit kann <strong>da</strong>s Ventil<br />
auch umgeschaltet werden, wenn am Druckluftanschluss des Hauptventils<br />
kein Druck anliegt. Das Schalten von kleinen Drücken oder von<br />
Vakuum ist möglich.<br />
Im Symbol wird durch einen kleinen Strich am Vorsteuerventil die externe<br />
Zuführung von Druck deutlich gemacht.<br />
Häufig werden jedoch eigengesteuerte Ventile eingesetzt. Bei manchen<br />
Baureihen ist auch <strong>da</strong>s Umbauen der Druckversorgung des Vorsteuerventils<br />
möglich. Ein solcher Umbau sollte jedoch gut dokumentiert werden,<br />
<strong>da</strong>mit auch noch nach Jahren bei einem möglichen Austausch des<br />
Ventils der Umbau noch bekannt ist.<br />
Bild 31: Fremdgesteuertes Wegeventil (Bild: BoschRexroth)<br />
14<br />
5<br />
4<br />
1<br />
2<br />
3
1.6.7 Ventilträgersysteme<br />
Bild 32: Ventilträger<br />
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Prinzipiell gibt es zwei sich widersprechende Ziele der Anordnung der<br />
Wegeventile in einer Anlage. Zum einen sollten sich die Wegeventile<br />
nahe bei dem Zylinder befinden, den sie ansteuern. Die Leitungen zum<br />
Zylinder können <strong>da</strong>durch kurz gehalten werden.<br />
Da die Leitungen zum Zylinder bei jedem Hub ebenfalls mit Druckluft<br />
gefüllt und anschließend beim Rückhub wieder entleert werden, kann<br />
mit kurzen Leitungen Druckluft eingespart werden.<br />
Häufiger werden jedoch die Wegeventile einer Anlage zentral an einer<br />
Stelle angeordnet. Dies ist auch vorteilhaft bei der Wartung und Fehlersuche.<br />
Die längeren Leitungen zum Zylinder werden <strong>da</strong>bei in Kauf genommen.<br />
Zunächst wurden die Ventile auf Sammelanschlussplatten montiert. Dabei<br />
wurden die Anschlüsse für die Druckluft und die Abluft gleich mit<br />
hergestellt. Die gesamte Sammelanschlussplatte wurde mit Druckluft versorgt<br />
und die Abluft über gemeinsame Schalldämpfer in die Umgebung<br />
entlassen.<br />
Die elektrischen Leitungen von den Magnetspulen mussten jedoch noch<br />
zu einem Verteiler geführt werden, von dem aus eine mehradrige Leitung<br />
zum Schaltschrank gelegt wurde.<br />
51
52<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
Durch die Sammelanschlussplatten wurde erreicht, <strong>da</strong>ss für mehrere Ventile<br />
nur noch ein Druckluftanschluss benötigt wurde. Die Montagezeit<br />
wurde somit verkürzt und Ventile konnten leichter ausgetauscht werden.<br />
Um einen Ventilträger bei Be<strong>da</strong>rf um weitere Ventile zu erweitern, konnten<br />
entweder zusätzliche Ventilplätze angebaut werden oder der Ventilträger<br />
wurde von Anfang an für weitere Plätze ausgelegt. Freie Ventilplätze<br />
wurden mit Blindplatten verschlossen.<br />
Grundsätzlich werden die Ventile für Ventilträgerunterschieden nach<br />
Ventilen mit Rohranschluss und Plattenanschluss. Bei Ventilen mit Plattenanschluss<br />
werden alle Anschlüsse nach unten aus dem Ventil herausgeführt.<br />
Das Ventil kann <strong>da</strong>durch demontiert werden, ohne <strong>da</strong>ss Schlauchoder<br />
Rohranschlüsse gelöst werden müssen.<br />
Bei Ventilen mit Rohranschluss sind die Arbeitsanschlüsse oben aus dem<br />
Ventil herausgeführt. Vor der Demontage eines Ventils müssen diese<br />
beiden Leitungen gelöst und <strong>da</strong>nach wieder angeschlossen werden. Da<br />
bei Ventilen mit Rohranschluss die Druckluft nicht umgelenkt wird, haben<br />
sie bei gleicher Baugröße einen etwas größeren Durchfluss als die<br />
Ventile mit Plattenanschluss.<br />
Bild 33: Ventilträger mit Ventilen mit Plattenanschluss
Fluidtechnik<br />
Bild 34: Ventilträger mit Ventilen mit Rohranschluss<br />
Minos<br />
Bei modernen Ventilträgersystemen werden nicht nur die Druckluftanschlüsse<br />
zusammengefasst, sondern auch die elektrischen Anschlüsse<br />
zu den Magnetspulen. Dadurch wird die Zeit für die Demontage und<br />
Montage von Ventilen weiter verkürzt.<br />
Im Ventilträger werden die Kontakte der Magnetspulen mit einem<br />
multipoligen Anschlussstecker an der Seite verbunden. Über ein mehradriges<br />
Kabel kann der Ventilträger einfach mit dem Schaltschrank verbunden<br />
werden.<br />
Der mehrpolige Stecker kann aber auch durch Anschlussmöglichkeiten<br />
für Bussysteme ersetzt werden. Die Ventilträgersysteme können auf diese<br />
Weise direkt über digitale Signale mit einer SPS verbunden werden.<br />
Die Ventilträger können auch in unterschiedliche Druckbereiche unterteilt<br />
werden. Mit Trennstücken wird die Druckluftversorgung unterbrochen.<br />
Der Ventilträger kann <strong>da</strong>nn von zwei Seiten mit unterschiedlichen<br />
Drücken beaufschlagt werden.<br />
Bei drei Druckbereichen muss im mittleren Bereich anstelle eines Ventils<br />
eine Einspeiseplatte eingebaut werden. Über diese ist eine Druckversorgung<br />
von oben möglich. Einspeiseplatten werden auch eingesetzt,<br />
wenn dem Ventilträger gleichzeitig große Mengen Druckluft zugeführt<br />
werden müssen oder wenn die Anluft schneller entweichen soll.<br />
53
54<br />
Minos<br />
1.7 Sperrventile<br />
1.7.1 Rückschlagventile<br />
Fluidtechnik<br />
1.7.2 Schnellentlüftungsventile<br />
Die Sperrventile haben die Aufgabe, den Volumenstrom in einer Richtung<br />
abzusperren und in der Gegenrichtung möglichst verlustarm hindurchzuleiten.<br />
Sie werden teilweise mit <strong>and</strong>eren Ventilen kombiniert.<br />
Das Rückschlagventil besteht aus einem Dichtkörper, der meistens mit<br />
einer Feder gegen seinen Sitz gedrückt wird. Dadurch ist <strong>da</strong>s Rückschlagventil<br />
auch <strong>da</strong>nn geschlossen, wenn kein Druck anliegt. Ein einfaches<br />
Rückschlagventil hat zwei Anschlüsse und lässt die Druckluft nur in einer<br />
Richtung hindurchströmen.<br />
Es kommen aber auch entsperrbare Rückschlagventile zum Einsatz.<br />
Diese haben einen dritten Anschluss, der mit Steuerluft beaufschlagt<br />
werden kann. Liegt an diesem Anschluss Druck an, so ist <strong>da</strong>s Rückschlagventil<br />
auch in seiner Sperrrichtung geöffnet.<br />
Entsperrbare Rückschlagventile können beispielsweise eingesetzt werden,<br />
<strong>da</strong>mit unter Last stehende Zylinder bei einem Schlauchbruch nicht<br />
plötzlich einfahren. Spezielle Einschraubausführungen werden direkt in<br />
den Zylinder eingeschraubt, so <strong>da</strong>ss sich zwischen dem entsperrbaren<br />
Rückschlagventil und dem Zylinder keine Schlauchleitung befinden muss.<br />
Der Zylinder kann <strong>da</strong>nn nur einfahren, wenn am Steuerluftanschluss des<br />
entsperrbaren Rückschlagventils ein Signal angelegt wird.<br />
Schnellentlüftungsventile dienen <strong>da</strong>zu, die Kolbengeschwindigkeit eines<br />
Zylinders zu erhöhen. Die Schnellentlüftungsventile sollten möglichst nahe<br />
am Zylinder positioniert werden. Die beste Wirkung erzielen sie, wenn<br />
sie direkt in den Anschluss des Zylinders eingeschraubt werden.<br />
Strömt die Druckluft zum Zylinder, so schließt <strong>da</strong>s Dichtelement die<br />
Entlüftungsöffnung ab und die Druckluft gelangt zum Ausgang. Wird der<br />
Kolbenraum des Zylinders entlüftet, so wird <strong>da</strong>s Dichtelement in die <strong>and</strong>ere<br />
Position geschoben. Die Entlüftungsöffnung wird freigegeben und<br />
die Druckluft vom Zylinder entweicht über die große Entlüftungsöffnung<br />
des Schnellentlüftungsventils direkt ins Freie.<br />
Da die Druckluft nicht mehr über <strong>da</strong>s Wegeventil entweichen muss, kann<br />
sie den Zylinderraum wesentlich schneller verlassen und die Kolbengeschwindigkeit<br />
wird <strong>da</strong>durch erhöht.<br />
Das schlagartige Entlüften ist mit einer starken Geräuschentwicklung<br />
verbunden. In die Entlüftungsöffnung der Schnellentlüftungsventile werden<br />
deshalb Schalldämpfer eingesetzt.
1.7.3 Wechselventile<br />
1 (P)<br />
Fluidtechnik<br />
2 (A)<br />
Bild 35: Schnellentlüftungsventil (Bild: BoschRexroth)<br />
3 (R)<br />
Minos<br />
Das Wechselventil hat zwei gleichwertige Eingänge und einen Ausgang.<br />
Es wird zum logischen Verknüpfen von Signalen eingesetzt.<br />
Sobald an einem Eingang ein Druck anliegt, führt auch der Ausgang<br />
Druck. Der zweite Eingang wird durch den Dichtungskörper abgesperrt.<br />
Damit wird verhindert, <strong>da</strong>ss der Druck über den zweiten Eingang entweicht.<br />
Liegt an beiden Eingängen gleichzeitig ein Druck an, so ist die Lage des<br />
Dichtkörpers undefiniert. Der Ausgang steht aber trotzdem unter Druck.<br />
Dieses Verhalten entspricht einer logischen ODER-Funktion.<br />
Bei verschieden hohen Drücken an den beiden Eingängen gelangt der<br />
höhere Druck zum Ausgang. Wechselventile können auch hinterein<strong>and</strong>er<br />
geschalten werden um mehrere Signale mitein<strong>and</strong>er zu verknüpfen.<br />
Wechselventile haben keinen Entlüftungsanschluss. Nach dem Abschalten<br />
eines Signals muss dessen Druck über <strong>da</strong>s entsprechende Wegeventil<br />
abgebaut werden.<br />
55
56<br />
Minos<br />
1.7.4 Zweidruckventile<br />
Fluidtechnik<br />
1 (E 1 ) 1 (E 2 )<br />
Bild 36: Wechselventil (Bild: BoschRexroth)<br />
Das Zweidruckventil hat ebenfalls zwei gleichwertige Eingänge und einen<br />
Ausgang. Es wird wie <strong>da</strong>s Wechselventil zum logischen Verknüpfen<br />
von Signalen eingesetzt.<br />
Liegt bei einem Zweidruckventil ein Druck an einem der beiden Eingänge<br />
an, so wird der Dichtkörper gegen die Dichtfläche gedrückt und <strong>da</strong>s<br />
Zweidruckventil sperrt ab. Wird nur an den zweiten Eingang ein Signal<br />
angelegt, so schaltet <strong>da</strong>s Zweidruckventil um und sperrt diesen Eingang<br />
ab.<br />
Nur wenn an beiden Eingängen gleichzeitig ein Signal anliegt, gelangt<br />
der Druck zum Ausgang. Dieses Verhalten entspricht einer logischen<br />
UND-Funktion.<br />
Die UND-Funktion entspricht <strong>da</strong>bei nicht einer Sicherheitsfunktion, wie<br />
sie beispielsweise zum Betätigen einer Presse eingesetzt wird. Dort ist<br />
eine Zweih<strong>and</strong>-Sicherheitsschaltung erforderlich, bei der zwei Taster innerhalb<br />
einer halben Sekunde gedrückt werden müssen.<br />
Das Zweidruckventil <strong>da</strong>rf deshalb nur zum logischen Verknüpfen von<br />
Signalen eingesetzt werden.<br />
2 (A)
Fluidtechnik<br />
Bild 37: Zweidruckventil (Bild: BoschRexroth)<br />
Minos<br />
Liegen am Zweidruckventil zwei verschieden große Drücke an, so gelangt<br />
nur der kleinere Druck zum Ausgang. Das kann vorallem <strong>da</strong>nn problematisch<br />
sein, wenn mehrere Signale verknüpft werden und auf Grund<br />
dieser Eigenschaft des Zweidruckventils von allen Signalen immer nur<br />
<strong>da</strong>s Signal mit dem kleinsten Druck als Ergebnis anliegt.<br />
Bei verschieden großen Drücken sollte deshalb ein pneumatisch betätigtes<br />
3/2-Wegeventil zur Verknüpfung der Signale gewählt werden. Das<br />
kleinere Signal wird <strong>da</strong>nn zum Umschalten des Wegeventils genutzt während<br />
<strong>da</strong>s größere Signal nach dem Umschalten durch <strong>da</strong>s Wegeventil<br />
zum Ausgang gelangen kann.<br />
Werden mit Zweidruckventilen Impulsventile angesteuert, so reicht<br />
manchmal bereit eine geringe Druckmenge, die während des Umschalten<br />
des Zweidruckventils von einer Schaltstellung in die <strong>and</strong>ere durch<br />
die Dichtung gelangt, zum Umschalten des Impulsventils. In diesem Fall<br />
sind vorallem kleine und schnell umschaltende Zweidruckventile zu verwenden.<br />
2 (A)<br />
1 (E 1 ) 1 (E 1 )<br />
57
58<br />
Minos<br />
1.8 Stromventile<br />
Fluidtechnik<br />
Die Stromventile haben die Aufgabe, den Volumenstrom zu beeinflussen<br />
und <strong>da</strong>mit die Geschwindigkeit des pneumatischen Antriebes. Bei<br />
Drosseln wird der Querschnitt stufenlos verengt. Der Durchfluss wird<br />
<strong>da</strong>durch auf einfache Weise stufenlos verringert, was einen großen Vorteil<br />
der Pneumatik bedeutet.<br />
Drosseln haben zwei Anschlüsse. Sie können in Leitungen eingebaut<br />
oder direkt in die Gewindebohrungen der Ventile eingeschraubt werden.<br />
Die Drosselwirkung ist jedoch in beiden Durchströmrichtungen gleich<br />
groß.<br />
Bei Wegeventilen mit zwei getrennten Abluftöffnungen können mit zwei<br />
Drosseln beide Abluftströme getrennt beeinflusst werden. Die Geschwindigkeit<br />
eines Zylinders ist somit in beiden Richtungen getrennt einstellbar.<br />
Bei manchen Wegeventilen sind die Drosseln gleich in die Abluftöffnungen<br />
fest eingebaut.<br />
Im Symbol wird eine Drossel in einem Rechteck <strong>da</strong>rgestellt. Zwei bogenförmige<br />
Linien symbolisieren die verengte Stelle. Ein Pfeil durch <strong>da</strong>s<br />
Symbol stellt <strong>da</strong>r, <strong>da</strong>ss die Drosselstelle einstellbar ist.<br />
1 (A) 2 (B)<br />
Bild 38: Drosselrückschlagventil (Bild: BoschRexroth)
Fluidtechnik<br />
1.8.1 Drosselrückschlagventile<br />
Minos<br />
Die Drosseln sollten sich möglichst nahe am Zylinder befinden, <strong>da</strong> sonst<br />
die Schlauchleitungen als zusätzliches Volumen wirken. Besonders günstig<br />
ist ein Einschrauben direkt in die Druckluftanschlüsse des Zylinders.<br />
Damit die Drosselung nur in eine Richtung wirkt, wird zur Drossel ein<br />
Rückschlagventil parallel geschaltet.<br />
Bei einem Drosselrückschlagventil wird der Volumenstrom in Sperrichtung<br />
des Rückschlagventils gedrosselt. In der Gegenrichtung öffnet <strong>da</strong>s Rückschlagventil<br />
und die Druckluft kann weitgehend ungedrosselt durch <strong>da</strong>s<br />
Drosselrückschlagventil strömen.<br />
Im Symbol werden Drossel und Rückschlagventil von einer Strich-Punkt-<br />
Linie umrahmt. Damit wird angezeigt, <strong>da</strong>ss sich beide Best<strong>and</strong>teile in<br />
einer gemeinsamen Baueinheit befinden. Die Drosselrichtung ist oftmals<br />
vom Anschluss 1 zum Anschluss 2.<br />
Prinzipiell gibt es zwei Möglichkeiten der Drosselung. Bei der Zuluftdrosselung<br />
wird die Druckluft, die zum Zylinder hin strömt, gedrosselt.<br />
Vorallem bei langsamen Bewegungen kommt es <strong>da</strong>beijedoch zu einem<br />
Ruck-Gleiten, auch Stick-Slip-Effekt genannt. Das bedeutet, <strong>da</strong>ss der<br />
Zylinder zunächst ein Stück ausfährt und <strong>da</strong>nn stehenbleibt, bis wieder<br />
genügend Druckluft nachgeströmt ist.<br />
Wegen dieser ungleichförmigen Bewegung sollte die Zuluftdrosselung<br />
nur bei sehr kleinen Zylindern und bei einfachwirkenden Zylindern eingesetzt<br />
werden. Bei diesen ist <strong>da</strong>s Rucken durch die Rückstellfeder gedämpft.<br />
Bei der Abluftdrosselung wird die Druckluft, die aus dem Zylinder herausströmt,<br />
gedrosselt. Da auf der <strong>and</strong>eren Kolbenseite der volle Druck<br />
anliegt, ist der Kolben pneumatisch eingespannt. Die Bewegung des<br />
Zylinders erfolgt <strong>da</strong>durch wesentlich gleichmäßiger.<br />
Aufgrund der gleichmäßigeren Bewegung sollte möglichst immer die Abluftdrosselung<br />
eingesetzt werden. Nur bei sehr kleinen Zylindern und bei<br />
kurzen Hüben reicht der Druckaufbau an der Entlüftungsseite nicht für<br />
die Drosselung aus.<br />
Bei den Einschraubausführungen von Drosselrückschlagventilen ist besonders<br />
<strong>da</strong>rauf zu achten, <strong>da</strong>ss die Drosselungsrichtung der gewünschten<br />
Drosselungsart entspricht. Da bei Einschraubausführungen die Anschlüsse<br />
nicht vertauscht werden können, sind unterschiedliche Ausführungen<br />
für die Zuluft- und die Abluftdrosselung verfügbar.<br />
Keinesfalls dürfen an einem doppeltwirkenden Zylinder gleichzeitig<br />
Drosselrückschlagventile für die Zuluft- und die Abluftdrosselung an den<br />
beiden Druckluftanschlüssen angebracht werden. Beide Drosseln würden<br />
in diesem Fall in die gleiche Richtung wirken, während die Gegenrichtung<br />
ungedrosselt verbleibt.<br />
59
60<br />
Minos<br />
1.9 Druckventile<br />
Fluidtechnik<br />
Die Druckventile beeinflussen den Druck und <strong>da</strong>mit die Kraft der pneumatischen<br />
Antriebe. Zu den Druckventilen gehört auch <strong>da</strong>s Druckregelventil,<br />
<strong>da</strong>s sich in jeder Wartungseinheit befindet. Damit wird der Druck<br />
für die gesamte Anlage eingestellt.<br />
Sollen einzelne Bereiche der Anlage mit einem geringeren Druck betrieben<br />
werden, so können die Druckregelventile auch einzeln eingesetzt<br />
werden. Von der Funktion her sind die Druckregelventile Druckminderventile.<br />
Sie benötigen einen bestimmten Druck, den sie zum Ausgang<br />
hin auf den eingestellten Wert absenken.<br />
Druckminderventile werden in der Pneumatik auch als Energiesparventile<br />
eingesetzt. Besonders bei großvolumigen doppeltwirkenden Zylindern<br />
ist es nicht immer erforderlich, <strong>da</strong>ss der Zylinder in beide Richtungen die<br />
volle Kraft erzeugen muss. Häufig muss der Zylinder zwar mit einer großen<br />
Kraft ausfahren, für den Rückhub ist jedoch nur eine geringere Kraft<br />
erforderlich.<br />
Mit einem Energiesparventil wird in diesem Fall der Druck für den Rückhub<br />
reduziert. Da der Zylinder nur mit Druckluft mit einem geringen Druck<br />
gefüllt wird, ist der Verbrauch entsprechend geringer. Die Druckminderventile<br />
können allerdings nur in eine Richtung durchströmt werden. Es<br />
ist deshalb für die Durchströmung in der Gegenrichtung ein Rückschlagventil<br />
parallel geschaltet.<br />
Druckbegrenzungsventile werden in der Pneumatik vorallem als Sicherheitsventile<br />
an Behältern eingesetzt. Sie sind im Normalfall geschlossen<br />
und öffnen erst beim Erreichen des eingestellten Drucks. Sicherheitsventile<br />
entlassen <strong>da</strong>bei den Druck in die Umgebung.<br />
Eine ähnliche Funktion haben Folgeventile, die auch als Druckzuschaltventile<br />
bezeichnet werden. Dabei h<strong>and</strong>elt es sich um Wegeventile, die<br />
erst bei Beaufschlagung von einem bestimmten Druck umschalten. Durch<br />
<strong>da</strong>s Verstellen einer Feder kann der erforderliche Schaltdruck eingestellt<br />
werden.<br />
Folgeventile werden beispielsweise eingesetzt, um der Druck im Zylinder<br />
zu überprüfen. Erst wenn der Druck ausreichend groß ist, <strong>da</strong>nn ist<br />
auch die entsprechende Kraft am Zylinder vorh<strong>and</strong>en. Somit fährt der<br />
Zylinder erst wieder ein, wenn wirklich die gewünschte Kraft erzeugt<br />
worden ist.<br />
In der Elektropneumatik wird diese Aufgabe von Druckschaltern übernommen.<br />
Der Druck wirkt auf eine Membrane, die gegen eine einstellbare<br />
Feder drückt. Ist der gewünschte Druck erreicht, so schaltet die Membrane<br />
einen kleinen Kontakt, der ein elektrisches Signal abgibt. Druckschalter<br />
werden deshalb auch als P/E-Umformer bezeichnet.
1.10 Sonstige Ventile<br />
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Für zeitabhängige Steuerungen werden Zeitglieder eingesetzt. In rein<br />
pneumatischen Steuerungen bestehen diese Zeitglieder aus einem<br />
Drosselrückschlagventil, einem 3/2-Wegeventil und einem kleinen Behälter.<br />
Da diese Bauelemente in einem Bauteil zusammengefasst sind,<br />
werden sie auch im Symbol durch eine Strich-Punkt-Linie umschlossen.<br />
Wird der Steuerluftanschluss mit Druck beaufschlagt, so gelangt die<br />
Druckluft gedrosselt in den Behälter. Hat der Druck einen bestimmten<br />
Wert erreicht, so schaltet <strong>da</strong>s Wegeventil um und <strong>da</strong>s Zeitglied erzeugt<br />
ein Signal am Ausgang.<br />
Das Zeitglied kann aber auch zum Abschalten von Signalen genutzt<br />
werden. Dazu wird <strong>da</strong>s Wegeventil in der Durchgangsruhestellung genutzt.<br />
Nach Ablauf der eingestellten Zeit schaltet <strong>da</strong>s Wegeventil <strong>da</strong>nn<br />
die Verbindung vom Druckluftanschluss zum Ausgang ab.<br />
Die Dauer der Zeit wird durch die Drosselschraube verändert. Es sind<br />
Zeiten von bis zu etwa 30 Sekunden einstellbar. An der Verschraubung<br />
des Behälters ist ein Manometer anschließbar. Damit kann <strong>da</strong>s Ansteigen<br />
des Druckes verfolgt werden. Dies ist vorallem bei der Inbetriebnahme<br />
und zur Fehlersuche sinnvoll.<br />
12 (Z) 1 (P)<br />
3 (R)<br />
Bild 38: Zeitglied (Bild: BoschRexroth)<br />
2 (A) 3 (R)<br />
1 (P)<br />
61
62<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
Pneumatische Zeitglieder haben nur eine ausreichend große Genauigkeit.<br />
Sind längere Zeiten oder eine höhere Genauigkeit gefordert, so<br />
werden pneumatisch-mechanische Zeitglieder eingesetzt. Diese haben<br />
ein mechanisches Rotorsystem integriert. Nach Ablauf der Zeit geben<br />
diese Zeitglieder einen Druckluftimpuls ab.<br />
Über eine analoge Anzeige kann der Ablauf der Zeit nachverfolgt werden.<br />
Auf ähnliche Weise funktionieren pneumatische Zählwerke. Hier<br />
werden pneumatische Impulse von einem mechanischen Zählwerk addiert<br />
und zur Anzeige gebracht.<br />
In der Elektropneumatik werden Aufgaben zur zeitlichen Steuerung mit<br />
Zeitrelais durchgeführt. Beim Einsatz einer SPS werden <strong>da</strong>gegen Zeiten<br />
und Zähler direkt im Programm der Steuerung festgelegt.<br />
Bei manchen Steuerungen, beispielsweise bei Pressen, besteht eine<br />
Gefahr für den Menschen. Durch Hineingreifen in den Arbeitsraum können<br />
Verletzungen auftreten. In diesem Fall ist eine Zweih<strong>and</strong>-Sicherheitssteuerung<br />
einzusetzen.<br />
Dabei ist vorgeschrieben, <strong>da</strong>ss zwei Taster innerhalb von 0,5 Sekunden<br />
betätigt werden müssen. Die Betätigungsknöpfe Taster müssen versenkt<br />
sein und müssen soweit vonein<strong>and</strong>er entfernt sein, <strong>da</strong>ss sie nicht mit<br />
einer H<strong>and</strong> betätigt werden können.<br />
Für <strong>da</strong>s Verknüpfen der Signale der Taster können pneumatische Steuerblöcke<br />
verwendet werden. Darin enthalten ist ein kleines Zeitglied, deren<br />
Zeiteinstellung nicht verändert werden kann. Die Signale der beiden<br />
Taster werden angelegt und nur wenn innerhalb der Zeit von 0,5 Sekunden<br />
beide Taster betätigt werden liegt am Ausgang ein Signal an.<br />
Da <strong>da</strong>s eingebaute Zeitglied empfindlich auf Staub oder zu viel Öl in der<br />
Druckluft ist, kann eine fehlerfreie Funktion nicht immer garantiert werden.<br />
Aus diesem Grund sind pneumatische Zweih<strong>and</strong>-Steuerblöcke als<br />
alleinige Sicherheitsmaßnahme nicht mehr zulässig.<br />
Das logische Verknüpfen der Tastersignale kann jedoch weiterhin erfolgen.<br />
Auch hier gilt, <strong>da</strong>ss bei der Elektropneumatik <strong>da</strong>s Verknüpfen der<br />
Signale eher im elektrischen Teil der Steuerung oder in der SPS erfolgt.<br />
Das gleiche gilt für pneumatische Taktketten, die zur Ansteuerung von<br />
Ablaufsteuerungen eingesetzt wurden. Bei diesen Steuerungen wurden<br />
schrittweise die Ausgänge einer rein pneumatischen Steuerung eingeschaltet.<br />
Solche pneumatischen Steuerungen sind nur noch an älteren<br />
Anlagen zu finden.
Fluidtechnik<br />
1.11 Bezeichnung der Symbole im Schaltplan<br />
Minos<br />
In pneumatischen Schaltplänen werden für die einzelnen Bauteile Symbole<br />
verwendet. Die Druckluftversorgung wird <strong>da</strong>bei unten angeordnet,<br />
die Zylinder befinden sich oben. Sie sollten nach rechts ausfahren.<br />
Alle Bauteile sind im druckbeaufschlagten Zust<strong>and</strong> <strong>da</strong>rzustellen. Es werden<br />
also Zylinder auch im ausgefahrenen Zust<strong>and</strong> gezeichnet, wenn sie<br />
im Ausgangszust<strong>and</strong> ausgefahren sind.<br />
Da der Signalfluss von unten nach oben erfolgt, sind Taster und auch<br />
vom Zylinder betätigte Ventile im unteren Bereich des Schaltplanes anzuordnen.<br />
Die Position der Zylinderschalter ist am Zylinder durch kleine<br />
Striche zu markieren. Um die Zuordnung der Symbole der Zylinderschalter<br />
zu ihrer Position am Zylinder zu ermöglichen, ist unbedingt auf eine Bezeichnung<br />
zu achten.<br />
Die Kennzeichnung der einzelnen Bauteile ist in der DIN 1219-2 geregelt.<br />
Sie besteht aus einer Ziffer für den Schaltkreis, einem Buchstaben<br />
zur Kennzeichnung des Bauteils und aus einer Bauteilnummer.<br />
Die folgenden Buchstaben werden für die Bauteile verwendet:<br />
A Antriebe<br />
S Signalaufnehmer<br />
V Ventile<br />
Z sonstige Bauteile.<br />
Die einzelnen Antriebe werden von links nach rechts numeriert und bekommen<br />
somit die Bezeichnungen 1A, 2A, 3A usw.<br />
Alle Ventile, die zum ersten Zylinder gehören, werden von unten nach<br />
oben und von links nach rechts durchnumeriert. Sie bekommen die Bezeichnungen<br />
1V1, 1V2, 1V3 usw. Dementsprechend werden die Ventile<br />
des zweiten Zylinders mit 2V1, 2V2, 2V3 usw. bezeichnet.<br />
Tastrollen werden mit der Nummer bezeichnet, die der Zylinder hat, an<br />
dem sie befestigt sind. Die Tastrollen am ersten Zylinder bekommen also<br />
die Bezeichnung 1S1 und 1S2, während die Tastrollen am zweiten Zylinder<br />
mit 2S1 und 2S2 bezeichnet werden.<br />
Die Tastrollen werden somit bei der Bezeichnung dem Zylinder zugeordnet,<br />
an dem sie sich wirklich befinden. Bei <strong>and</strong>eren Bezeichnungsmethoden<br />
<strong>da</strong>gegen wurden sie wie der Zylinder bezeichnet, die sie mit<br />
ihren Ausgangssignalen ansteuern.<br />
Da die Best<strong>and</strong>teile der Wartungseinheit und der Druckluftversorgung<br />
keinem der einzelnen Zylinder zuzuordnen sind, werden sie mit einer 0<br />
an der ersten Stelle bezeichnet. Da es sich um sonstige Bauteile h<strong>and</strong>elt,<br />
bekommt die Wartungseinheit beispielsweise die Bezeichnung 0Z1.<br />
63
64<br />
Minos<br />
0Z1<br />
Fluidtechnik<br />
1 3<br />
Bild 39: Numerierung der Bauteile im Schaltplan<br />
Gerade bei älteren Schaltplänen können aber auch <strong>and</strong>ere Bezeichnungssysteme<br />
verwendet worden sein. So besteht die Möglichkeit, die einzelnen<br />
Bauteile einfach der Reihe nach zu numerieren.<br />
Häufig werden die Zylinder auch mit Z1, Z2 usw. bezeichnet. Die einzelnen<br />
Bauteile, die zu den Zylindern gehören, werden durch zwei Ziffern<br />
bezeichnet, die durch einen Punkt getrennt sind.<br />
Alle Bauteile, die zum ersten Zylinder gehören, werden somit mit 1.1,<br />
1.2, 1.3 usw. bezeichnet. Die Numerierung erfolgt auch hier von unten<br />
nach oben und von links nach rechts. Teilweise wird auch <strong>da</strong>s Stellventil,<br />
<strong>da</strong>s den Zylinder mit Druckluft versorgt, besonders hervorgehoben. Unabhängig<br />
von der Position im Schaltplan wird es <strong>da</strong>nn mit 1.1 beim ersten<br />
Zylinder bezeichnet.<br />
Die Bauteile, die der Energieversorgung dienen, werden mit 0.1, 0.2, 0.3<br />
usw. bezeichnet. Die Reihenfolge der Numerierung erfolgt <strong>da</strong>bei in der<br />
Richtung des Energieflusses.<br />
Unabhängig von der Bezeichnungsmethode ist unbedingt auf die Bezeichnung<br />
der Zylinderschalter und deren Position am Zylinder zu achten,<br />
<strong>da</strong> sonst keine sichere Zuordnung möglich ist.<br />
1S1<br />
2<br />
1V2<br />
1<br />
2<br />
1V1 4 2<br />
14 12<br />
5<br />
1A<br />
1 3<br />
1V3<br />
1<br />
2<br />
1S2<br />
1S2<br />
2<br />
1 3
1.12 Vakuumtechnik<br />
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Für den Transport verschiedener Teile werden auch Saugnäpfe eingesetzt.<br />
Sie können Teile transportieren, die eine glatte, weitgehend ebene<br />
und feste Oberfläche haben. Die Teile dürfen nicht luftdurchlässig sein.<br />
Angewendet werden Saugnäpfe, wenn die zu bewegenden Teile schlecht<br />
mechanisch gefasst werden können, wie beispielsweise Autoscheiben<br />
oder Papierbögen in Druckereien.<br />
Die Saugnäpfe arbeiten mit Unterdruck. Da der Umgebungsdruck etwa<br />
ein bar beträgt, kann der maximale Unterdruck theoretisch auch nur ein<br />
bar betragen. In der Praxis liegt der Unterdruck bei 0,6 bis 0,8 bar. Dies<br />
wird auch in Prozent des maximal möglichen Unterdrucks bezeichnet<br />
und liegt <strong>da</strong>nn im Bereich von 60 bis 80 % vom Vakuum.<br />
Das Werkstück kann nur am Saugnapf haften, wenn der Umgebungsdruck<br />
höher als der Druck zwischen Saugnapf und der Fläche des Werkstückes<br />
ist. Die Kraft, mit der <strong>da</strong>s Werkstück gehalten werden kann, hängt<br />
<strong>da</strong>bei vom Unterdruck und von der wirksamen Fläche des Saugnapfes<br />
ab.<br />
Damit sich der Saugnapf nicht flach auf <strong>da</strong>s Werkstück auflegt und <strong>da</strong>durch<br />
die Fläche verkleinert wird, sind am Saugnapf Noppen angebracht.<br />
Diese verbessern auch <strong>da</strong>s Lösen des Werkstückes vom Saugnapf nach<br />
dem Abschalten des Unterdrucks.<br />
Die theoretisch mögliche Saugkraft sollte mindestens doppelt so groß<br />
sein wie die tatsächlich benötigte Kraft. Bei starken Beschleunigungen<br />
des Werkstückes ist ein noch größerer Sicherheitsfaktor einzuplanen.<br />
Saugnäpfe werden unterschieden in Flachsaugnäpfe und Teleskopsaugnäpfe.<br />
Letztere passen sich schrägen Flächen besser an als flache<br />
Bauarten. Dagegen sind flache Saugnäpfe auch geeignet, an senkrechten<br />
Flächen zu haften. Teleskopsaugnäpfe würden in diesem Fall wegen<br />
ihrer größeren Flexibilität abknicken.<br />
Beim Einsatz von Teleskopsaugnäpfen ergibt sich beim Einschalten des<br />
Unterdruckes durch <strong>da</strong>s Zusammenziehen des Teleskopteils gleichzeitig<br />
ein Hubeffekt. Durch <strong>da</strong>s anheben kann somit möglicherweise auf<br />
eine zusätzliche Hubbewegung verzichtet werden.<br />
Beim Betrieb mehrerer parallel geschalteter Saugnäpfe besteht die Gefahr,<br />
<strong>da</strong>ss beim Abreißen eines Saugnapfes der gesamte Unterdruck<br />
zusammenbricht und <strong>da</strong>s Werkstück sich ganz von den Saugnäpfen löst.<br />
In diesem Fall können Strömungsventile verwendet werden, die bei starker<br />
Durchströmung absperren.<br />
Die Strömungsventile werden nach dem Saugnapf eingebaut. Löst sich<br />
ein Saugnapf, so wird durch die große Luftmenge <strong>da</strong>s Strömungsventil<br />
geschlossen und der Unterdruck bleibt im Rest des Systems erhalten.<br />
65
66<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
Der Unterdruck kann entweder von Vakuumpumpen erzeugt werden oder<br />
von Ejektoren. Vakuumpumpen werden eingesetzt, wenn größere Mengen<br />
an Unterdruck erzeugt werden sollen. Mit geeigneten Ventilen wird<br />
der Unterdruck am Saugnapf eingeschaltet.<br />
Zur Unterdruckerzeugung vor Ort werden <strong>da</strong>gegen Ejektoren verwendet.<br />
Sie werden mit Druckluft betrieben und arbeiten nach dem<br />
Venturiprinzip. Da sich in Ihnen keine bewegten Teile befinden, arbeiten<br />
sie weitgehend wartungs- und verschleißfrei.<br />
Bei dem Ejektor strömt die Druckluft durch eine Düse. Durch die hohe<br />
Strömungsgeschwindigkeit entsteht <strong>da</strong>bei ein Unterdruck, der über einen<br />
Anschluss an den Saugnapf weitergeleitet wird. Ein einfacher Ejektor<br />
erzeugt nur solange einen Unterdruck, wie er mit Druckluft durchströmt<br />
wird.<br />
Zum Einschalten der Druckluft kann in dem Ejektor ein Wegeventil integriert<br />
sein. Mit einem zweiten Wegeventil ist es möglich, Druckluft in die<br />
Saugleitung zu blasen. Damit wird ein Abstossimpuls erzeugt, der <strong>da</strong>s<br />
angesaugte Werkstück schneller vom Saugnapf löst. Der Abstossimpuls<br />
kann bei <strong>and</strong>eren Bauarten auch durch einen kleinen Behälter erzeugt<br />
werden, aus dem sich die Druckluft beim Abschalten automatisch in die<br />
Ansaugleitung entleert.<br />
Ejektoren mit Luftsparautomatik haben zusätzlich einem Druckschalter<br />
eingebaut. Dieser überprüft den erreichten Unterdruck und schaltet die<br />
Druckluftzufuhr entsprechend ab. Sinkt der Unterdruck ab, so wird über<br />
den Druckschalter die Druckluftversorgung des Ejektors wieder eingeschaltet<br />
und der Unterdruck wieder erhöht.
2 Hydraulik<br />
2.1 Einleitung<br />
Fluidtechnik<br />
2.1.1 Vor- und Nachteile der Hydraulik<br />
Minos<br />
In der Hydraulik werden als Übertragungsmedium Flüssigkeiten verwendet.<br />
Der Begriff Hydraulik wird auf <strong>da</strong>s griechische Wort hydor, <strong>da</strong>s Wasser,<br />
zurückgeführt. Obwohl auch Wasser verwendet werden kann, so<br />
wird doch hauptsächlich Öl als Medium eingesetzt.<br />
Unterschieden wird die Hydraulik in die Bereiche Hydrodynamik und<br />
Hydrostatik. Bei der Hydrodynamik wird vorallem die Strömungsenergie<br />
des Übertragungsmediums genutzt. Es treten <strong>da</strong>bei nur relativ geringe<br />
Drücke auf. Da die Strömungsenergie eine kinetische Energie ist, wird<br />
auch der Begriff Hydrokinetik verwendet. Ein Beispiel für die Anwendung<br />
ist die W<strong>and</strong>lung von Drehmomenten und Drehzahlen in Strömungsgetrieben.<br />
Im Gegensatz <strong>da</strong>zu wird bei der Hydrostatik der Druck der Flüssigkeit in<br />
einem geschlossenen Raum ausgenutzt. Dabei ruht die Hydraulikflüssigkeit<br />
oder sie bewegt sich mit nur geringer Geschwindigkeit. Ein<br />
typisches Beispiel ist die Erzeugung des Druckes in einer Pumpe und<br />
<strong>da</strong>s Umsetzen des Druckes in eine Kraft in einem Zylinder.<br />
Gesteuert wird der Druck über Ventile. Diese werden von H<strong>and</strong> oder<br />
elektrisch betätigt. Besondere Anforderungen an die Sicherheit wird beim<br />
Einsatz der Hydraulik in Flugzeugen gestellt.<br />
Die Hydraulik ist eine von mehreren Energieformen, die in der Industrie<br />
eingesetzt werden. Sie soll hier mit der Pneumatik und der Elektrik, aber<br />
auch mit mechanischen Geräten verglichen werden.<br />
– In der Hydraulik sind große Kräfte und Momente möglich obwohl die<br />
Bauteile nur geringe Abmessungen und Massen haben.<br />
– Es lassen sich sehr einfach geradlinige Bewegungen erzeugen.<br />
– Ein Anfahren unter Last ist aus dem Stillst<strong>and</strong> heraus möglich.<br />
– Geschwindigkeiten und Drehzahlen können stufenlos in weiten<br />
Bereichen geändert werden.<br />
– Die Bewegungsrichtungen lassen sich leicht umkehren.<br />
– Mit Druckmessgeräten können die Kräfte einfach angezeigt werden.<br />
– Überlastungen können durch Druckbegrenzungsventile vermieden<br />
werden.<br />
– Die einzelnen Komponenten können räumlich getrennt angeordnet<br />
werden, wobei die Verbindung durch flexible Schläuche erfolgt.<br />
– Ein Einbinden in eine elektrische Steuerung oder Regelung ist<br />
einfach möglich.<br />
67
68<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
2.1.2 Einsatzbereiche der Hydraulik<br />
Den Vorteilen stehen aber auch Nachteile gegenüber:<br />
– Es werden hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Bauteile<br />
gestellt. Die Kosten <strong>da</strong>für sind entsprechend hoch.<br />
– Verschmutzungen in den Hydraulikflüssigkeiten müssen durch<br />
Filterungen vermieden werden.<br />
– Die Hydraulikflüssigkeiten müssen über Rückleitungen und Leckölleitungen<br />
zum Tank zurückgeführt werden.<br />
– Bei unterschiedlichen Temperaturen ist die Viskosität der Hydraulikflüssigkeit<br />
unterschiedlich hoch. Ein Kühlen der Hydraulikflüssigkeit<br />
ist oftmals erforderlich.<br />
– Wegen der hohen Viskosität der Hydraulikflüssigkeiten ist ein Transport<br />
über längere Leitungen ungünstig.<br />
– In der Hydraulikflüssigkeit kann Luft gelöst sein. Entstehen <strong>da</strong>raus<br />
Luftblasen, so führt <strong>da</strong>s zu ungleichförmigen Bewegungen.<br />
– Hydrauliköle können brennbar sein.<br />
– Tritt Hydrauliköl durch Undichtigkeiten aus, so können <strong>da</strong>raus<br />
Gefährdungen entstehen.<br />
– Ein Speichern der Druckenergie ist schwierig.<br />
Die Hydraulik wird in vielen Bereichen eingesetzt. In der Industrie wird<br />
die Hydraulik in Werkzeugmaschinen für Vorschübe und Spindelantriebe<br />
verwendet. Bei Spritzgießmaschinen für die Kunststoffverarbeitung werden<br />
die Formen hydraulisch geöffnet und geschlossen und der Kunststoff<br />
eingepressten. In Pressen werden mit der Hydraulik sehr große<br />
Kräfte erzeugt.<br />
Im Gegensatz zu diesen stationären Einsatzfällen wird die Mobilhydraulik<br />
in beweglichen Maschinen eingesetzt. Viele Baumaschinen verfügen über<br />
hydraulische Antriebe. Das betrifft aber nicht nur die Arbeitsfunktionen.<br />
Auch für die Fahrantriebe kommen hydraulische Antriebe zum Einsatz.<br />
Aber auch viele l<strong>and</strong>wirtschaftliche Fahrzeuge verfügen über hydraulische<br />
Antriebe. So werden Arbeitsgeräte in bestimmte Positionen gebracht<br />
oder Zusatzgeräte angetrieben.<br />
Spezielle Anwendungsgebiete für die Hydraulik sind die Schiffshydraulik<br />
und die Flugzeughydraulik.
Fluidtechnik<br />
2.1.3 Aufbau einer Hydraulikanlage<br />
Bild 40: Hydraulikanklage (Bild: BoschRexroth)<br />
Minos<br />
Die Hydraulikanlagen können sehr unterschiedlich aufgebaut sein. Sie<br />
bestehen jedoch alle aus den gleichen Grundbausteinen.<br />
Im Hydraulikaggregat wird durch eine Pumpe ein Druck aufgebaut und<br />
ein Volumenstrom erzeugt. Bei zu hohen Drücken öffnet <strong>da</strong>s Druckbegrenzungsventil<br />
und lässt den Volumenstrom zu Tank zurückfließen.<br />
Die mechanische Energie wird in Druckenergie umgew<strong>and</strong>elt.<br />
Der erzeugte Volumenstrom wird anschließend durch Wegeventile beeinflusst.<br />
Die Wegeventile beeinflussen die Bewegungsrichtung von Zylindern<br />
oder die Drehrichtung von Hydraulikmotoren.<br />
Die Kraft des Zylinders wird durch Druckventile bestimmt. Je höher der<br />
Druck ist, desto höher ist auch die Kraft des Zylinders. Mit Stromventilen<br />
wird der Volumenstrom verändert. Im einfachsten Fall werden Drosseln<br />
verwendet. Mit dem Volumenstrom ändert sich die Geschwindigkeit des<br />
Antriebs. Sperrventile sorgen <strong>da</strong>für, <strong>da</strong>ss der Volumenstrom nur in eine<br />
Richtung strömen kann. Die Wirkung von Drosseln kann so auf eine<br />
Durchströmrichtung beschränkt werden.<br />
In den Zylindern wird schließlich die Druckenergie wieder in mechanische<br />
Energie zurückverw<strong>and</strong>elt.<br />
69
70<br />
Minos<br />
2.2 Hydraulikaggregate<br />
Fluidtechnik<br />
Die Druckenergie wird durch <strong>da</strong>s Hydraulikaggregat bereitgestellt. Es<br />
besteht aus mehreren Komponenten, die alle an fast jedem Hydraulikaggregat<br />
zu finden sind.<br />
Mit der Pumpe wird die Hydraulikflüssigkeit angesaugt und gefördert.<br />
Dabei ist <strong>da</strong>rauf zu achten, <strong>da</strong>ss in der Saugleitung kein zu großer Unterdruck<br />
entsteht. In diesem Fall würden aus der Flüssigkeit Gasblasen<br />
austreten und an Stellen mit einem höheren Druck wieder schlagartig in<br />
sich zusammenfallen. Dieser Vorgang wird als Kavitation bezeichnet.<br />
Die <strong>da</strong>bei entstehenden Druckstösse können <strong>da</strong>bei bis zur Zerstörung<br />
der Pumpe führen und werden als Korrosion sichtbar.<br />
In stationären Anlagen wird die Pumpe mit einem Elektromotor angetrieben.<br />
Dagegen erfolgt der Antrieb bei mobilen Anlagen häufig mit einem<br />
Verbrennungsmotor.<br />
Die Pumpen selbst gibt es in einer großen Anzahl von Bauarten. Häufig<br />
werden Zahnradpumpen eingesetzt. Diese fördern bei einer bestimmten<br />
Drehzahl einen konstanten Volumenstrom. Bei <strong>and</strong>eren Pumpen ist der<br />
Volumenstrom verstellbar. Manche Pumpenbauarten können den<br />
Volumenstrom nicht selbst ansaugen. Sie müssen <strong>da</strong>nn unterhalb des<br />
Flüssigkeitsspiegels angeordnet werden oder es wird eine Zahnradpumpe<br />
vorangeschaltet.<br />
Bild 41: Hydraulikaggregat<br />
Pumpe
2.2.1 Hydraulikbehälter<br />
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Die Hydraulikflüssigkeit wird im Behälter gespeichert. Der Behälter muss<br />
groß genug sein um die Flüssigkeit der gesamten Anlage aufzunehmen.<br />
Gleichzeitig muss genügend Flüssigkeit vorh<strong>and</strong>en sein um alle Zylinder<br />
zu versorgen. Besonders einfachwirkende Zylinder benötigen beim<br />
Ausfahren viel Hydrauliköl. Aber auch bei doppeltwirkenden Zylindern<br />
ist der Kolbenraum größer als der Kolbenstangenraum. Deshalb benötigen<br />
auch diese Zylinder beim Ausfahren eine bestimmte Menge an<br />
Hydrauliköl.<br />
Für den Druckausgleich muss sich am Behälter eine Entlüftungsöffnung<br />
befinden. Bei der Entnahme von Hydraulikflüssigkeit kann so Luft nachströmen<br />
und es entsteht kein Unterdruck. Damit <strong>da</strong>bei kein Schmutz in<br />
den Behälter gelangt, ist die Öffnung mit einem Filter versehen.<br />
Eine zweite Öffnung ist für <strong>da</strong>s Befüllen des Behälters vorgesehen. Auch<br />
hier befindet sich ein Filter. Damit kein Schmutz in die Hydraulikanlage<br />
gelangt muss <strong>da</strong>s Hydrauliköl vor dem Einfüllen unbedingt gefiltert werden.<br />
Der Behälter ist durch ein Blech in zwei Bereiche geteilt. Die zurückfließende<br />
Flüssigkeit kann sich zunächst beruhigen und enthaltene Luftblasen<br />
abscheiden. Auch in der Flüssigkeit vorh<strong>and</strong>ene Schmutzpartikel<br />
werden hier abgelagert. Über Bohrungen in der Trennw<strong>and</strong> gelangt <strong>da</strong>s<br />
Hydrauliköl in die zweite Kammer und kann dort wieder angesaugt werden.<br />
Die tiefste Stelle des Behälters befindet sich in der Beruhigungskammer.<br />
Dort ist auch eine Ablassschraube zu finden. Beim Wechseln des<br />
Hydrauliköls kann somit der abgelagerte Schmutz oder angesammeltes<br />
Kondenswasser mit herausgespült werden.<br />
Die in einer Hydraulikanlage auftretenden Verluste führen zu einer Erwärmung<br />
des Hydrauliköls. Eine weitere Aufgabe des Behälters besteht<br />
deshalb im Kühlen der Hydraulikflüssigkeit. Oftmals sind <strong>da</strong>zu an der<br />
Außenw<strong>and</strong> Kühlrippen vorh<strong>and</strong>en. Es können aber auch zusätzliche<br />
Kühler vorh<strong>and</strong>en sein. Wird die Anlage auch bei tiefen Temperaturen<br />
betrieben, so kann auch ein Heizelement vorh<strong>and</strong>en sein. Vor dem Einschalten<br />
wird <strong>da</strong>s Hydrauliköl <strong>da</strong>mit auf Betriebstemperatur gebracht.<br />
Für die Kontrolle der Temperatur sind am Behälter Thermometer angebracht.<br />
Ein Ölst<strong>and</strong>sanzeiger zeigt den Flüssigkeitsst<strong>and</strong> an. Markierungen<br />
zeigen den möglichen minimalen und maximalen St<strong>and</strong> der Flüssigkeit.<br />
Ein Manometer zeigt den von der Pumpe erzeugten Druck an. Druck,<br />
Temperatur und Flüssigkeitsst<strong>and</strong> sind wichtige Werte für den sicheren<br />
Betrieb der Hydraulikanlage und sollten regelmäßig überprüft werden.<br />
71
72<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
2.2.2 Druckbegrenzungsventil<br />
2.2.3 Filter<br />
Ein weiteres wichtiges Bauteil, <strong>da</strong>s an jedem Hydraulikaggregat vorh<strong>and</strong>en<br />
ist, ist <strong>da</strong>s Druckbegrenzungsventil.<br />
Das Druckbegrenzungsventil ist zunächst geschlossen und öffnet erst,<br />
wenn ein bestimmter, eingestellter Druck erreicht wird. Das Hydrauliköl<br />
fließt <strong>da</strong>nn in den Behälter zurück. Der Druck in der Anlage bleibt jedoch<br />
erhalten.<br />
Mit dem Druckbegrenzungsventil wird die Anlage vorallem vor zu hohem<br />
Druck und <strong>da</strong>mit vor Beschädigung oder gar Zerstörung geschützt. Der<br />
gesamte von der Pumpe geförderte Volumenstrom muss durch <strong>da</strong>s Druckbegrenzungsventil<br />
zum Tank zurückgelangen können.<br />
Direktwirkende Druckbegrenzungsventile werden nur bei kleineren<br />
Volumenströmen eingesetzt. Für größere Volumenströme werden vorgesteuerte<br />
Druckbegrenzungsventile verwendet. Bei diesen indirekt wirkenden<br />
Druckbegrenzungsventilen wird <strong>da</strong>s Hauptventil von einem kleineren<br />
Ventil angesteuert.<br />
Die Bauteile einer Hydraulikanlage sind sehr empfindlich gegenüber<br />
Verschmutzungen der Hydraulikflüssigkeit. Mit Filtern werden diese Verschmutzungen<br />
entfernt.<br />
Grundsätzlich lassen sich die Filter an drei Stellen in dem Hydraulikaggregat<br />
einbauen. Jede der Einbauorte hat <strong>da</strong>bei Vor- und Nachteile.<br />
Soll bereits die Pumpe vor Verschmutzungen aus dem Vorratsbehälter<br />
geschützt werden, so wird ein Saugfilter eingesetzt. Allerding setzt ein<br />
Saugfilter der Strömung einen Widerst<strong>and</strong> entgegen. Vorallem bei kaltem<br />
Hydrauliköl oder bei bereits stärkerer Verschmutzung des Filters<br />
kann es deshalb der Druck vor der Pumpe soweit absinken, <strong>da</strong>ss Kavitation<br />
auftritt und die Pumpe beschädigt wird. Saugfilter sind deshalb vorallem<br />
als Drahtsieb ausgeführt und schützen die Pumpe vorallem vor<br />
groben Verunreinigungen.<br />
Nach der Pumpe eingebaute Filter werden Druckfilter genannt. Da sie<br />
den vollen Druck der Pumpe aushalten müssen sind sie entsprechend<br />
stabil aufgebaut. Druckfilter sind vergleichsweise teuer und werden vorallem<br />
bei empfindlichen Bauteilen, wie beispielsweise Servoventilen, eingesetzt.<br />
Die dritte Einbauform sind Rücklauffilter. Sie werden in die Rückleitung<br />
zum Tank eingebaut und filtern den Volumenstrom somit erst, wenn er<br />
durch die gesamte Anlage geströmt ist. Es wird <strong>da</strong>bei angenommen,<br />
<strong>da</strong>ss beim einmaligen Durchlaufen der Bauteile noch kein Schaden angerichtet<br />
wurde.
Fluidtechnik<br />
2.3 Hydraulikflüssigkeiten<br />
2.3.1 Viskosität<br />
Minos<br />
Rücklauffilter haben einen einfachen Aufbau und sind <strong>da</strong>durch preiswert.<br />
Häufig ist ein Umgehungsrückschlagventil parallel geschaltet. Ist der Filter<br />
zu stark verschmutzt und bietet dem Volumenstrom einen zu großen<br />
Widerst<strong>and</strong>, so öffnet dieses Bypass und lässt <strong>da</strong>s Hydrauliköl am Filter<br />
vorbeiströmen.<br />
Es ist auch möglich, die Filter kleiner zu halten und nur einen Teil des<br />
Volumenstroms zu filtern. Erst nach mehreren Durchläufen hat <strong>da</strong>nn die<br />
gesamte Ölmenge den Filter durchlaufen.<br />
Mit Differenzdruckanzeigern wird der Druckabfall über die Filter gemessen.<br />
Ein steigender Differenzdruck deutet auf eine stärkere Verschmutzung<br />
des Filters hin. Die Verschmutzungsanzeiger sollten deshalb regelmäßig<br />
überprüft und die Filter entsprechend getauscht werden. Filter<br />
ohne Verschmutzungsanzeige sind regelmäßig auszuwechseln.<br />
Die Energie von der Pumpe zum Zylinder wird von der Hydraulikflüssigkeit<br />
übertragen. Prinzipiell ist <strong>da</strong>zu zunächst fast jede Flüssigkeit geeignet.<br />
Teilweise wird <strong>da</strong>zu Wasser verwendet. Wasser ist fast immer in ausreichender<br />
Menge vorh<strong>and</strong>en und sehr preiswert. Dem steht gegenüber,<br />
<strong>da</strong>ss Wasser die beweglichen Bauteile nicht schmieren kann und die<br />
Korrosion fördert.<br />
In der Hydraulik werden wegen ihrer Eigenschaften fast immer Mineralöle<br />
eingesetzt. Die beweglichen Teile werden durch <strong>da</strong>s Öl geschmiert,<br />
Korrosion wird vermieden und entst<strong>and</strong>ene Wärme abgeführt.<br />
Es existieren verschiedene Hydrauliköle, die unterschiedliche Eigenschaften<br />
haben. Entsprechend dem Einsatzfall muss ein Öl ausgewählt werden,<br />
dessen Eigenschaften den Anforderungen am besten entspricht.<br />
Eine wichtige Eigenschaft der Hydraulikflüssigkeit ist seine Viskosität,<br />
auch Zähigkeit genannt. Die Viskosität entsteht <strong>da</strong>durch, <strong>da</strong>ss sich die<br />
einzelnen Moleküle des Flüssigkeit mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten<br />
bewegen. Je größer aber der Widerst<strong>and</strong> gegen verschiedene<br />
Geschwindigkeiten ist, desto größer ist die Viskosität der Flüssigkeit.<br />
Wasser hat eine geringere Viskosität als Öl. Dies lässt sich leicht überprüfen,<br />
indem man in einem Behälter Wasser oder Öl umrührt. Für <strong>da</strong>s<br />
Umrühren von Wasser wird viel weniger Kraft benötigt.<br />
Dementsprechend sind Hydraulikkomponenten immer für bestimmte Viskositäten<br />
bestimmt. Diese Werte dürfen durch die Hydraulikflüssigkeit<br />
weder über- noch unterschritten werden.<br />
73
74<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
Gemessen wird die Viskosität mit einem Viskosimeter. Es existieren verschiedene<br />
Bauformen. Bei einem Kapillarviskosimeter beispielsweise<br />
strömt die Flüssigkeit in Folge der Schwerkraft durch ein enges Röhrchen,<br />
wobei die Zeit für eine gewisse Menge der Flüssigkeit gemessen<br />
wird.<br />
Die Viskosität wird in die kinematische und die dynamische Viskosität<br />
unterschieden. Dabei erhält man die kinematische Viskosität, wenn man<br />
die dynamische Viskosität durch die Dichte der Flüssigkeit teilt. In der<br />
Technik wird eher die dynamische Viskosität verwendet. Die Einheit <strong>da</strong>für<br />
ist mm 2 /s. Nicht mehr üblich sind die veralteten Einheiten Centistokes<br />
und Stokes.<br />
Die Viskosität ist stark von der Temperatur abhängig. Mit steigenden<br />
Temperaturen wird die Viskosität immer geringer. Die Abhängigkeit der<br />
Viskosität von der Temperatur kann in Viskositäts-Temperatur-Diagrammen<br />
abgelesen werden.<br />
Wie bereits erwähnt, sind die Komponenten der Hydraulik nur für bestimmte<br />
Bereiche der Viskosität der Flüssigkeit geeignet. Somit sind auch<br />
die Betriebstemperaturen mit bei der Auswahl der Hydraulikflüsssigkeit<br />
zu beachten.<br />
Bei zu geringen Viskositäten kann es zu Problemen mit der Abdichtung<br />
oder der Schmierung geben. Zu hohe Viskositäten erschweren die Arbeit<br />
der Pumpe und können den Antriebsmotor überlasten.<br />
Die Viskositätswerte für Hydrauliköle werden bei 40 °C ermittelt und in<br />
ISO-Viskositätsklassen eingeteilt. Der Zahlenwert gibt <strong>da</strong>bei die Viskosität<br />
an. Beispielsweise hat ein Hydrauliköl der ISO-VG 46 eine Viskosität<br />
von 46 mm 2 /s bei einer Temperatur von 40 °C.<br />
Nach DIN 2209 wird der Viskositätsindex ermittelt. Dieser Wert gibt die<br />
Temperaturabhängigkeit der Hydraulikflüssigkeit von der Temperatur an.<br />
Hohe Werte bedeuten <strong>da</strong>bei, <strong>da</strong>ss die Temperaturabhängigkeit geringer<br />
ist. Die Werte liegen <strong>da</strong>bei im Bereich von etwa 100 für normale Hydrauliköle<br />
bis zu etwa 150 für spezielle Flüssigkeiten.<br />
Die Viskosität hängt aber nicht nur von der Temperatur ab, sondern auch<br />
vom Druck. Bemerkbar wird <strong>da</strong>s bei Drücken von mehr als 200 bar. Die<br />
doppelte Viskosität ist bei etwa 400 bar erreicht.
Fluidtechnik<br />
2.3.2 Weitere Eigenschaften der Hydraulikflüssigkeiten<br />
Minos<br />
Die Dichte von Hydraulikölen liegt normalerweise bei etwa 0,9 kg/dm 3 .<br />
Hydrauliköl ist <strong>da</strong>mit leichter als Wasser. Aus diesem Grund sammelt<br />
sich Wasser im Hydraulikbehälter unten an und kann über die Ablassöffnung<br />
entfernt werden. Es ist aber zu beachten, <strong>da</strong>ss die Dichte des<br />
Hydrauliköls durch Zusätze erhöht werden kann und Werte bis zu<br />
1,4 kg/dm 3 möglich sind.<br />
Mit steigender Temperatur nimmt <strong>da</strong>s Volumen der Hydraulikflüssigkeiten<br />
zu. Durch <strong>da</strong>s Erhöhen der Temperatur um zehn Grad wird <strong>da</strong>s Volumen<br />
um etwa 0,7 % vergrößert. Es ist also im Behälter ausreichend Platz<br />
auch für <strong>da</strong>s erwärmte Öl vorzusehen.<br />
Eine weitere Eigenschaft von Flüssigkeiten ist ihre<br />
Zusammendrückbarkeit. Im Gegensatz zu Gasen sind die Werte allerdings<br />
recht gering. Es ist mit einem Wert von rund 0,7 % je 100 bar Druckerhöhung<br />
zu rechnen. Nachdem der Druck wieder verringert wurde, nimmt<br />
die Flüssigkeit aber wieder <strong>da</strong>s ursprüngliche Volumen ein.<br />
Die Zusammendrückbarkeit ist zwar nur sehr gering, sie wirkt sich aber<br />
ungünstig auf die Genauigkeit der hydraulischen Antriebe aus. Mit dem<br />
Einsatz von Regelungen kann die Genauigkeit wieder erhöht werden.<br />
Es ist aber auch zu beachten, <strong>da</strong>ss sich Rohr- und Schlauchleitungen<br />
unter Druck etwas weiten und <strong>da</strong>durch der Effekt der<br />
Zusammendrückbarkeit scheinbar verstärkt wird.<br />
Als Stockpunkt einer Hydraulikflüssigkeit wird die Temperatur bezeichnet,<br />
bei der <strong>da</strong>s Öl nicht mehr unter dem Einfluss der Schwerkraft fließt.<br />
Soll die Hydraulikanlage auch bei tiefen Temperaturen zuverlässig arbeiten,<br />
so sind dünnflüssigere Hydrauliköle einzusetzen.<br />
Bei hohen Temperaturen besteht bei vielen Hydraulikölen Br<strong>and</strong>gefahr.<br />
Mit dem Flammpunkt wird die Temperatur beschrieben, bei der Öldämpfe<br />
durch eine Flamme entzündet werden können. Dieser Flammpunkt liegt<br />
bei normalen Hydraulikölen bei einem Wert von etwa 180 bis 200 °C.<br />
Bei noch höheren Temperaturen kann <strong>da</strong>s Öl selbst zu brennen beginnen.<br />
Für den Einsatz bei hohen Umgebungsbedingungen oder Br<strong>and</strong>gefahr<br />
sind schwer entflammbare oder nicht brennbare Hydraulikflüssigkeiten<br />
einzusetzen.<br />
75
76<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
Eine wichtige Aufgabe der Hydraulikflüssigkeit ist <strong>da</strong>s Schmieren beweglicher<br />
Teile. Dabei schützt ein dünner Film die metallischen Teile vor<br />
einer Berührung mitein<strong>and</strong>er. Gleichzeitig wird die Reibung zwischen den<br />
einzelnen Teilen verringert.<br />
Ist die Schmierfähigkeit des Hydrauliköls beispielsweise durch eine zu<br />
geringe Viskosität zu gering, so reisst der Schmierfilm ab. In Folge <strong>da</strong>von<br />
kommt es zu einem starken Verschleiß bis hin zur Zerstörung der<br />
Bauteile.<br />
Die Schmierfähigkeit wird ermittelt, in dem verschiedene Hydrauliköle<br />
mitein<strong>and</strong>er verglichen werden.<br />
Die Lebens<strong>da</strong>uer einer Hydraulikflüssigkeit wird durch die Alterungsbeständigkeit<br />
bestimmt. Hydrauliköle altern, indem sie sich mit Sauerstoff<br />
verbinden und oxydieren. Der Alterungsprozess tritt <strong>da</strong>bei vorallem<br />
bei Temperaturen von über 70 °C ein. Mit Zusätzen zum Hydrauliköl soll<br />
<strong>da</strong>s Altern verringert werden. An der dunklen Farbe ist zu erkennen, <strong>da</strong>ss<br />
<strong>da</strong>s Öl bereits gealtert ist. Da schwierig zu bestimmen ist, wie lange <strong>da</strong>s<br />
Öl noch eingesetzt werden kann, sollte es in regelmäßigen Abständen<br />
ausgewechselt werden.<br />
Neben dem Schmieren der Bauteile schützt die Hydraulikflüssigkeit aber<br />
auch vor Rost. Dabei ist aber auch <strong>da</strong>rauf zu achten, <strong>da</strong>ss Dichtungen<br />
und Schläuche nicht vom Hydrauliköl angegriffen werden. Auch beim<br />
Wechseln der Flüssigkeit ist <strong>da</strong>rauf zu achten, <strong>da</strong>ss verschiedene Flüssigkeiten<br />
mitein<strong>and</strong>er verträglich sind. So kann es erforderlich sein, nach<br />
dem Entfernen einer Flüssigkeit zunächst die Anlage zu reinigen. Erst<br />
<strong>da</strong>nach kann die <strong>and</strong>ere Hydraulikflüssigkeit eingefüllt werden.<br />
Bei vielen Ventilen umströmt die Hydraulikflüssigkeit die Magnetspule<br />
und führt die dort entst<strong>and</strong>ene Wärme ab. Kommt es zu einem Kabelbruch<br />
oder einem Kurzschluss, so sollte die Hydraulikflüssigkeit isolierend<br />
wirken. Das bedeutet, <strong>da</strong>ss Hydraulikflüssigkeiten den elektrischen<br />
Strom möglichst nicht leiten sollten.
Fluidtechnik<br />
2.3.3 Fremdstoffe, Luft und Wasser in der Hydraulikflüssigkeit<br />
Minos<br />
Die Hydraulikflüssigkeit sollte möglichst wenig Verunreinigungen enthalten.<br />
Je höher der Druck in der Anlage ist, desto höhere Anforderungen<br />
werden an die Dichtungen beispielsweise in den Wegeventilen gestellt.<br />
Schmutz in der Hydraulikflüssigkeit beschädigt die Dichtungen und kann<br />
<strong>da</strong>durch zum Ausfall der Hydraulikanlage führen.<br />
Die beim Betrieb der Anlage entstehenden Schmutzpartikel müssen aus<br />
der Anlage entfernt werden. Die Hydraulikflüssigkeit soll diese Teilchen<br />
zurück zum Tank spülen, wo sie ausgefiltert werden.<br />
Die Reinheitsklassen für Hydraulikflüssigkeiten sind in der ISO 4406<br />
vorgegeben. Dort ist die maximale Anzahl von Teilchen in einem Volumen<br />
von 100 ml definiert. Drei Zahlen geben an, wieviel Teilchen größer<br />
als 4 µm, größer als 6 µm und größer als 14 µm maximal vorh<strong>and</strong>en<br />
sein dürfen. Ein typischer Wert für Hydraulikanlagen bis 160 bar ist die<br />
Reinheitsklasse 21/18/13.<br />
Neben Feststoffen kann auch Luft in der Hydraulikflüssigkeit enthalten<br />
sein. Solange die Luft gelöst ist, wird der Betrieb der Anlage <strong>da</strong>durch<br />
nicht gestört.<br />
Ungelöste Luft <strong>da</strong>gegen besteht aus kleinen Luftblasen. Diese sollten<br />
möglichst vermieden werden. Zum einen wird die Zusammendrückbarkeit<br />
der Hydraulikflüssigkeit erhöht, <strong>da</strong> die Luftblasen als Gas kompressibel<br />
sind. Dies führt zu ruckartigen Bewegungen und zu Geräuschen an Pumpen<br />
und Ventilen.<br />
Beim Verdichten der Luftblasen wird die Temperatur der enthaltenen Luft<br />
stark erhöht. Dies lässt die Hydraulikflüssigkeit stärker altern. Die Temperaturen<br />
können sogar soweit steigen, <strong>da</strong>ss sich Öldämpfe in den Blasen<br />
selbst entzünden.<br />
Durch die Luftblasen bildet sich aber auch Schaum im Behälter der Anlage.<br />
Das Trennblech im Behälter trennt den Bereich mit Schaum ab, so<br />
<strong>da</strong>ss nur <strong>da</strong>s beruhigte Öl ohne Luftblasen angesaugt wird. Luftblasen<br />
im angesaugten Öl führen zur Kavitation, die die Pumpe schnell zerstören<br />
kann.<br />
Luftpolster können aber auch beim Befüllen der Anlage entstehen. An<br />
hochgelegenen Stellen befinden sich deshalb Entlüftungsöffnungen, über<br />
die die Luft aus den Leitungen entfernt werden kann.<br />
77
78<br />
Minos<br />
2.3.4 Umweltschutz<br />
Fluidtechnik<br />
Ein weiterer oft unerwünschter Best<strong>and</strong>teil von Hydraulikölen ist Wasser.<br />
Es fördert die Korrosion und verhindert <strong>da</strong>s Bilden von Schmierfilmen.<br />
Wasser kann auf verschiedenen Wegen in die Hydraulikflüssigkeit gelangen.<br />
Teilweise kann es sich schon in frischem Öl befinden oder es<br />
bildet sich im Behälter Kondenswasser. Auch durch undichte Kühler kann<br />
Wasser in die Hydraulikflüssigkeit gelangen.<br />
Das Wasser verursacht eine Trübung der Hydraulikflüssigkeit. Normalerweise<br />
ist es schwerer als <strong>da</strong>s Öl und setzt sich deshalb im Behälter<br />
unten ab, wo es über die Ölablassschraube entfernt werden kann.<br />
Es gibt aber auch synthetische Öle, die etwa die gleiche Dichte wie Wasser<br />
haben. In diesem Fall kann sich <strong>da</strong>s Wasser nicht absetzen, sondern<br />
es bildet Schlieren. Bei schwer entflammbaren Flüssigkeiten ist dieser<br />
Effekt gewünscht. Dort wird eine Emulsion aus Wasser und Öl verwendet.<br />
Bereits geringe Mengen Hydrauliköl können große Mengen an Wasser<br />
verschmutzen. Deshalb sollten grundsätzlich möglichst umweltschonende<br />
Hydraulikflüssigkeiten eingesetzt werden.<br />
Die Hydraulikflüssigkeiten werden in drei Wassergefährdungsklassen<br />
eingeteilt:<br />
WGK1 schwach wassergefährdend<br />
WGK2 wassergefährdend<br />
WGK3 stark wassergefährdend<br />
Pflanzenöle sind gering wassergefährdend. Sogenannte Bio-Öle sind<br />
biologisch schneller abbaubar und werden beispielsweise in Wasserschutzgebieten<br />
eingesetzt. Weiterhin gibt es Hydraulikflüssigkeiten, die<br />
nicht wassergefährdend sind.<br />
Natürlich sollten Hydraulikflüssigkeiten möglichst ungiftig sein, die Haut<br />
bei Berührung nicht reizen und nicht unangenehm riechen.<br />
Diesen Anforderungen gegenüber stehen die Kosten der Hydraulikflüssigkeit,<br />
die natürlich möglichst gering sein sollten. Dabei ist aber nicht<br />
nur der direkte Preis, sondern auch die Lebens<strong>da</strong>uer mit zu berücksichtigen.<br />
Es ist auch zu beachten, zu welchen Kosten Ersatzflüssigkeit zu<br />
beschaffen ist.
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Hydraulikflüssigkeiten. Zur Unterscheidung<br />
werden sie mit Buchstaben bezeichnet.<br />
Wichtige Hydrauliköle auf Mineralölbasis sind:<br />
H Mineralöl ohne Zusätze, werden in der Hydraulik kaum noch<br />
verwendet<br />
HL Mineralöl mit Zusätzen zur Erhöhung des Korrosionsschutzes<br />
und der Alterungsbeständigkeit<br />
HLP Mineralöl wie HL, jedoch mit Zusätzen zum Verschleißschutz<br />
HVLP Mineralöl wie HLP, zusätzlich hoher Viskositätsindex<br />
Wichtige schwerentflammbare Flüssigkeiten sind:<br />
HSA Öl in Wasser-Emulsion, maximal 20 Vol.% brennbarer Anteil<br />
HSB Wasser in Öl-Emulsion, maximal 60 Vol.% brennbarer Anteil<br />
HSC Wasser-Glykol-Lösung<br />
HSD wasserfreie synthetische Flüssigkeiten<br />
Wichtige umweltschonende Flüssigkeiten sind:<br />
HETG Pflanzenöle<br />
HEPG Polyglykole<br />
HEES synthetische Ester<br />
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80<br />
Minos<br />
2.4 Hydraulikpumpen<br />
Fluidtechnik<br />
In den Pumpen wird die mechanische Energie des Antriebsmotors in<br />
hydraulische Energie umgew<strong>and</strong>elt. Es wird ein Volumenstrom erzeugt,<br />
wobei die Hydraulikflüssigkeit gleichzeitig unter Druck gesetzt wird.<br />
Pumpen arbeiten nach zwei verschiedenen grundlegenden Funktionsprinzipien.<br />
In Strömungsmaschinen wird zunächst die Geschwindigkeit<br />
der Flüssigkeit erhöht. Anschließend wird die Geschwindigkeit in eine<br />
Druckerhöhung umgesetzt. Dabei entstehen Drücke von wenigen bar.<br />
Da in der Hydraulik wesentlich höhere Drücke verwendet werden, kommen<br />
Pumpen mit dem Verdrängerprinzip zum Einsatz. Beim Ansaugen<br />
wird ein Raum vergrößert und die Flüssigkeit strömt in diesen Raum<br />
hinein. Anschließend wird der Raum wieder verkleinert. Da sich Flüssigkeiten<br />
kaum zusammendrücken lassen, wird sie unter Druck stehend<br />
wieder ausgeschoben. Nach diesem Prinzip können Drücke von mehreren<br />
hundert bar erzeugt werden.<br />
Auch bei den Pumpen nach dem Verdrängerprinzip gibt es eine Vielzahl<br />
von Bauarten. Je nach den Anforderungen, die an die Anlage gestellt<br />
werden, kommen unterschiedliche Konstruktionsprinzipien zum Einsatz.<br />
Hauptsächlich werden die Pumpen in Drehkolbenmaschinen und Hubkolbenmaschinen<br />
unterteilt. Zu den wichtigsten Vertretern der Drehkolbenmaschinen<br />
gehören die Zahnradpumpen, die Schraubenpumpen und die<br />
Flügelzellenpumpen. Hubkolbenmaschinen sind die Reihenhubkolbenmaschinen,<br />
die Radialkolbenmaschinen und die Axialkolbenmaschinen.<br />
Es sind aber auch noch weitere Bauarten möglich.<br />
Als Symbol im Schaltplan wird die Pumpe durch einen Kreis <strong>da</strong>rgestellt.<br />
Die Förderrichtung wird durch ein ausgefülltes Dreieck angezeigt. Üblicherweise<br />
wird die Förderrichtung im Schaltplan von unten nach oben<br />
gezeichnet. Bei zwei möglichen Förderrichtungen wird dies durch zwei<br />
in entgegengesetzte Richtung zeigende Dreiecke <strong>da</strong>rgestellt.<br />
Der Antrieb der Pumpe wird durch eine Doppellinie symbolisiert. Mit einem<br />
gebogenen Pfeil kann die Drehrichtung angezeigt werden. Die Verstellmöglichkeit<br />
des Volumenstroms wird durch einen Pfeil durch <strong>da</strong>s<br />
gesamte Symbol <strong>da</strong>rgestellt. An den Pfeil wird die Art der Verstellung<br />
angefügt. Der bei manchen Pumpen vorh<strong>and</strong>ene Leckölanschluss wird<br />
durch ein kleines Tanksymbol markiert.<br />
Im Gegensatz zu den Pumpen ist bei den Motoren <strong>da</strong>s Dreieck nach<br />
innen gerichtet.
2.4.1 Zahnradpumpen<br />
Fluidtechnik<br />
Bild 42: Zahnradpumpe (Bild: BoschRexroth)<br />
Minos<br />
Die Zahnradpumpen werden unterschieden in Außenzahnradpumpen und<br />
Innenzahnradpumpen. Die häufigere Bauform ist <strong>da</strong>bei die Außenzahnradpumpe.<br />
Der Aufbau der Außenzahnradpumpe ist einfach. Die Pumpe ist robust<br />
und relativ unempfindlich gegenüber Schmutz. Sie kann in einem großen<br />
Drehzahl- und Viskositätsbereich eingesetzt werden und ist <strong>da</strong>rüberhinaus<br />
relativ preiswert.<br />
Zahnradpumpen haben allgemein einen konstanten Volumenstrom pro<br />
Umdrehung. Dieser kann somit nur über eine Änderung der Drehzahl<br />
verändert werden. Vorallem bei hohen Drücken verringert sich der<br />
Volumenstrom geringfügig, was seine Ursache in Undichtigkeiten hat.<br />
Die Außenzahnradpumpen enthalten zwei Zahnräder, die in einem Gehäuse<br />
angeordnet sind und sich gegenein<strong>and</strong>er drehen. Die Hydraulikflüssigkeit<br />
wird zwischen den Zähnen und der Gehäusew<strong>and</strong> zum Druckanschluss<br />
gefördert. In der Mitte greifen die Zähne der Zahnräder inein<strong>and</strong>er<br />
und verhindern ein Zurückströmen der Flüssigkeit.<br />
81
82<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
Zwischen den Zähnen wird jedoch eine geringe Menge der Hydraulikflüssigkeit<br />
eingeschlossen. Da sich beim Inein<strong>and</strong>ergreifen der Zähne<br />
dieser Raum noch weiter verkleinert, baut sich in dieser eingeschlossenen<br />
Flüssigkeit ein hoher Druck auf. Um dies zu vermeiden, wird <strong>da</strong>s<br />
sogenannte Quetschöl über kleine Kanäle der Druckseite mit zugeführt.<br />
Damit wird auch ein leiserer und weicherer Lauf der Pumpe erreicht.<br />
Von den Seiten her drücken Dichtungen auf die Zahnräder. Die Kraft<br />
zum Andrücken wird <strong>da</strong>durch erreicht, <strong>da</strong>ss die Dichtungen von außen<br />
mit Druck vom Ausgang der Pumpe her beaufschlagt werden. Mit steigendem<br />
Ausgangsdruck steigt so auch die Anpresskraft der Dichtungen.<br />
Durch dieses Konstruktionsprinzip ist auch festgelegt, welcher der<br />
beiden Anschlüsse die Ansaugseite und welcher die Druckseite ist. Die<br />
Förderrichtung kann also nicht vertauscht werden, wie dies vom grundlegenden<br />
Aufbau her zunächst anzunehmen sein könnte.<br />
Die bei den Pumpen auftretenden Undichtigkeiten bestimmen den<br />
volumetrischen Wirkungsgrad. Dieser beschreibt die tatsächlich geförderte<br />
Menge im Verhältnis zur theoretisch möglichen Menge. Die Reibung<br />
in der Pumpe wird durch den mechanischen Wirkungsgrad berücksichtigt.<br />
Ein Nachteil von Außenzahnradpumpen besteht in den Pulsationen, die<br />
beim Fördern in der Flüssigkeit auftreten und den <strong>da</strong>bei entstehenden<br />
Geräuschen. Die Ursache <strong>da</strong>für liegt <strong>da</strong>rin, <strong>da</strong>ss die Zahnzwischenräume<br />
nachein<strong>and</strong>er freigegeben werden. Diese Pulsationen können etwas<br />
abgeschwächt werden, indem zwei Pumpen so zusammengebaut sind,<br />
<strong>da</strong>ss ihre Zähne gerade um einen halben Zahn versetzt sind. Es können<br />
auch schrägverzahnte Zahnräder eingesetzt werden. Dabei treten<br />
allerdings axiale Kräfte auf, die von entsprechenden Lagern aufgenommen<br />
werden müssen.<br />
Bei den innenverzahnten Pumpen befinden sich zwei verschieden große<br />
Zahnräder inein<strong>and</strong>er. Beim größeren Zahnrad sind die Zähne nach<br />
innen gerichtet. Das kleinere Zahnrad ist so angeordnet, <strong>da</strong>ss es an<br />
einer Stelle in die Zähne des <strong>and</strong>eren Zahnrades eingreift. Gegenüber<br />
dieser Stelle befindet sich somit ein sichelförmiger Raum, der teilweise<br />
von einem feststehenden Körper ausgefüllt ist. Dieser ebenfalls sichelförmige<br />
Körper dichtet die Zahnzwischenräume gegenein<strong>and</strong>er ab.<br />
Werden die Zahnräder gedreht, so bildet sich zwischen den beiden Zahnrädern<br />
ein Raum, der sich mit der Drehung vergrößert. Dieser Raum<br />
wird mit der Hydraulikflüssigkeit gefüllt. Anschließend bewegen sich die<br />
Zahnzwischenräume an dem sichelförmigen Trennkörper vorbei. Das<br />
Volumen der Zahnzwischenräume wird <strong>da</strong>bei nicht verändert. Erst nach<br />
dem Trennkörper greifen die Zähne wieder inein<strong>and</strong>er, wodurch auch<br />
der Raum wieder verkleinert wird. In diesem Bereich wird die Flüssigkeit<br />
wieder aus der Pumpe gefördert.
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Da <strong>da</strong>s Ansaugen und Ausschieben über einen längeren Bereich erfolgt,<br />
ergibt sich eine nahezu pulsationsfreie Förderung und eine geringe<br />
Geräuschentwicklung. Dem gegenüber stehen die höheren Kosten gegenüber<br />
einer Außenzahnradpumpe.<br />
Eine ähnliche Bauform hat die Zahnringpumpe. Hier hat <strong>da</strong>s innere Zahnrad<br />
genau einen Zahn weniger als <strong>da</strong>s äußere. Die Zähne berühren sich<br />
immer, so <strong>da</strong>ss keine Sichel benötigt wird. Da <strong>da</strong>s innere Zahnrad außermittig<br />
eingebaut ist, greifen auf der einen Seite die Zähne inein<strong>and</strong>er<br />
während sich gegenüber die Zähne genau gegenüber stehen. Auch hier<br />
wird bei der Drehbewegung ein Raum zwischen den Zähnen vergrößert<br />
und <strong>da</strong>nach wieder verkleinert.<br />
Es gibt Bauarten mit mitdrehendem und mit stillstehendem Außenrad.<br />
Beim stillstehenden Außenrad führt <strong>da</strong>s Innenrad zusätzlich zur Drehbewegung<br />
eine Bewegung auf einer Kreisbahn aus. Dieses Funktionsprinzip<br />
wird auch als Gerotor bezeichnet. Der Vorteil besteht <strong>da</strong>rin, <strong>da</strong>ss mit<br />
geringen Umdrehungszahlen große Fördervolumen erreicht werden.<br />
Bild 43: Innenzahnradpumpe (Bild: BoschRexroth)<br />
83
84<br />
Minos<br />
2.4.2 Schraubenpumpen<br />
Fluidtechnik<br />
Die Schraubenpumpen werden auch als Schraubenspindelpumpen oder<br />
Schneckenpumpen bezeichnet. Sie bestehen aus zwei oder drei schraubenförmigen<br />
Spindeln mit jeweils entgegengesetzten Gewinde, die in<br />
einem Gehäuse angeordnet sind.<br />
Sobald die Spindeln in eine Drehbewegung versetzt werden, w<strong>and</strong>ert<br />
pro Gewindegang ein abgeschlossener Raum in Richtung Druckseite.<br />
Durch die gleichmäßige Drehbewegung fördern die Schraubenpumpen<br />
gleichmäßig und sind sehr geräuscharm.<br />
Die Anzahl der Gewindegänge hängt vom zu erzielenden Druck ab. Je<br />
höher der zu erzeugende Druck sein soll, desto mehr Gewindegänge<br />
werden vorgesehen. Die Leckverluste zwischen den einzelnen Gängen<br />
werden <strong>da</strong>durch verringert. Die axialen Kräfte auf die Spindeln werden<br />
außen durch Lager abgefangen. Radial wirken auf die Spindeln kaum<br />
Kräfte ein, <strong>da</strong> diese von alle Seiten mit Druck beaufschlagt sind.<br />
Wie die Zahnradpumpen fördern die Schraubenpumpen pro Umdrehung<br />
eine konstante Menge an Flüssigkeit. Eine Mengenänderung kann also<br />
nur über die Änderung der Drehzahl erfolgen. Schraubenpumpen können<br />
jedoch mit sehr hohen Drehzahlen betrieben werden.<br />
Bild 44: Schraubenpumpe (Bild: BoschRexroth)
Fluidtechnik<br />
2.4.3 Flügelzellenpumpen<br />
Minos<br />
Bei den Flügelzellenpumpen rotiert ein Läufer in einem Gehäuse. Mehrere<br />
Flügel sind in Schlitzen in dem Läufer angeordnet und werden durch<br />
die Fliehkraft nach außen bewegt. Die Flügel können auch zusätzlich<br />
durch Federn an <strong>da</strong>s Gehäuse gedrückt werden oder der Ausgangsdruck<br />
der Pumpe wird genutzt um die Flügel gegen die Gehäusew<strong>and</strong><br />
zu drücken.<br />
Durch die außermittige Anordnung des Läufers werden die Räume zwischen<br />
den Flügeln vergrößert und <strong>da</strong>durch die Flüssigkeit angesaugt.<br />
Anschließend werden diese Räume wieder verkleinert und <strong>da</strong>durch die<br />
Flüssigkeit zur Druckseite gefördert.<br />
Bei manchen Bauformen wird dieser Vorgang durch ein ovales Gehäuse<br />
zweimal bei jeder Umdrehung erreicht. Die Welle wird <strong>da</strong>bei gleichmäßiger<br />
belastet, <strong>da</strong> sich die gegenüber entstehenden radialen Kräfte gegenseitig<br />
aufheben.<br />
Flügelzellenpumpen erzeugen verhältnismäßig wenig Geräusche, <strong>da</strong> die<br />
Förderung weitgehend pulsationsfrei erfolgt. Sie werden vorallem bei<br />
großen Volumenströmen und eher kleineren Drücken eingesetzt. Es sind<br />
jedoch auch zweistufige Ausführungen möglich. Durch <strong>da</strong>s Entlanggleiten<br />
der Flügel an der Gehäusew<strong>and</strong> sind Flügelzellenpumpen empfindlicher<br />
gegenüber Verschmutzungen.<br />
Bild 45: Flügelzellenpumpe (Bild: BoschRexroth)<br />
85
86<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
2.4.4 Reihenkolbenpumpen<br />
Flügelzellenpumpen werden in Bauarten mit konstanten und mit variablen<br />
Volumenstrom unterschieden. Das Verändern des Volumenstromes<br />
geschieht durch Verschieben des rotierenden Läufers, während bei Pumpen<br />
mit konstanten Volumenstrom der Läufer fest montiert ist. Ein Verschieben<br />
des Läufers ist auch nicht möglich bei der zweifachen Förderung<br />
pro Umdrehung.<br />
Je nach Bauart wird der Läufer von H<strong>and</strong> oder hydraulisch verschoben.<br />
Wird der Läufer in die Mitte des Gehäuses bewegt, so bleiben die Räume<br />
zwischen den Flügeln während einer Umdrehung gleich groß und es<br />
findet keine Förderung statt. Je weiter der Läufer aus der Mittelstellung<br />
verschoben wird, um so größer wird der Volumenstrom. Bei manchen<br />
Bauarten kann der Volumenstrom auch umgekehrt werden, indem der<br />
Läufer in die <strong>and</strong>ere außermittige Position gebracht wird.<br />
Neben der Änderung des Volumenstromes kann mit verstellbaren Flügelzellenpumpen<br />
auch der Druck geregelt werden. Sobald der gewünschte<br />
Druck erreicht ist wird der Läufer in die Mittelstellung gebracht. In dieser<br />
Position wird kein weiterer Volumenstrom gefördert, der Druck wird <strong>da</strong>gegen<br />
aufrecht erhalten. Sobald der Druck absinkt, wird der Läufer aus<br />
der Mittelstellung bewegt und die Förderung wieder aufgenommen.<br />
Druckregelungen nach diesem Prinzip müssen sehr schnell arbeiten um<br />
Schwingungen im System zu vermeiden oder zu dämpfen.<br />
Reihenkolbenpumpen gehören zu den Hubkolbenmaschinen. Sie bestehen<br />
aus mehreren Zylindern, die in einer Reihe angeordnet sind. In den<br />
Zylindern werden Kolben von einer Nockenwelle bewegt. Der Rückhub<br />
kann ebenfalls durch die Nockenwelle oder durch Federkraft erfolgen.<br />
Die Steuerung des Ansaugens und Förderns erfolgt über Ventile, so <strong>da</strong>ss<br />
auch eine Umkehrung der Drehrichtung keinen Einfluss auf die<br />
Förderrichtung hat.<br />
Der Volumenstrom kann durch Verdrehen der Kolben erfolgen. Diese<br />
verfügen in diesem Fall über eine schräge Kante, die je nach Stellung<br />
ein mehr oder weniger langes Teilstück des Hubes mit einer Öffnung<br />
verbindet, über die die Flüssigkeit zurückströmen kann.<br />
Reihenkolbenpumpen sind für hohe Drücke bei eher geringen Volumenströmen<br />
geeignet. Sie werden vorallem bei Dieselmotoren zur Einspritzung<br />
des Kraftstoffes eingesetzt.
Fluidtechnik<br />
2.4.4 Radialkolbenpumpen<br />
Bild 46: Radialkolbenpumpe (Bild: BoschRexroth)<br />
Minos<br />
Bei den Radialkolbenpumpen werden zwei grundsätzliche Bauformen<br />
unterschieden. Bei den innenbeaufschlagten Pumpen stützen sich die<br />
sternförmig angeordneten Kolben außen am Gehäuse ab. Sie drehen<br />
sich mit dem exzentrisch im Gehäuse befindlichen Zylindern mit. Sie<br />
saugen <strong>da</strong>bei von innen her die Hydraulikflüssigkeit an und schieben sie<br />
nach einer halben Umdrehung wieder zur Mitte hin aus.<br />
Die Anzahl der Kolben ist ungerade, wodurch eine gleichmäßigere Förderung<br />
erreicht wird. Sie stützen sich entweder direkt an der Gehäusew<strong>and</strong><br />
ab oder über Rollen oder Gleitschuhe. Dabei kann die Reibung<br />
durch die Verwendung der unter Druck stehenden Hydraulikflüssigkeit<br />
verringert werden.<br />
Durch ein Verschieben des Gehäuseringes kann der Hub der Kolben<br />
und <strong>da</strong>mit die Fördermenge verändert werden. Befinden sich die Kolben<br />
genau in der Mitte, so findet keine Förderung mehr statt. Bei manchen<br />
Bauarten kann durch ein Bewegen in die <strong>and</strong>ere Richtung der Förderstrom<br />
umgekehrt werden. Die Verstellung des Gehäuseringes kann <strong>da</strong>bei<br />
von H<strong>and</strong> oder hydraulisch erfolgen.<br />
87
88<br />
Minos<br />
2.4.4 Axialkolbenpumpen<br />
Fluidtechnik<br />
Bei außenbeaufschlagten Radialkolbenpumpen sind die Kolben ebenfalls<br />
sternförmig in einem Gehäuse angeordnet. Sie stehen jedoch fest<br />
und werden von einem in der Mitte befindlichen Exzenter betätigt. Damit<br />
sie immer am Exzenter anliegen werden sie durch Federkraft <strong>da</strong>gegen<br />
gedrückt. Die Steuerung des Ansaugens und Ausstoßens erfolgt über<br />
Schieber oder Ventile.<br />
Radialkolbenpumpen sind für sehr hohe Drücke von mehreren hundert<br />
bar geeignet. Sie verfügen über einen Leckölanschluss, über den <strong>da</strong>s<br />
durch Undichtigkeiten entstehende Lecköl zurück zum Tank gelangen<br />
kann. In der Leckölleitung <strong>da</strong>rf sich <strong>da</strong>bei kein Druck aufbauen können.<br />
Bei den Axialkolbenpumpen befinden sich die Kolben parallel oder leicht<br />
geneigt zuein<strong>and</strong>er. Auch bei den Axialkolbenpumpen wird durch eine<br />
ungerade Anzahl von Kolben eine gleichmäßigere Förderung erreicht.<br />
Grundsätzlich werden die Axialkolbenpumpen in eine Schrägachsenbauart<br />
und eine Schrägscheibenbauart unterteilt. Bei der Schrägachsenbauart<br />
ist <strong>da</strong>s Gehäuse mit den Kolben gegenüber der Antriebswelle in<br />
einem Winkel angeordnet. Bei der Schrägscheibenbauart <strong>da</strong>gegen werden<br />
die Kolben von einer schräg stehenden Scheibe betätigt.<br />
Bild 47: Axialkolbenpumpe, Schrägachse (Bild: BoschRexroth)<br />
α
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Beim Schrägachsenprinzip befinden sich die Kolben in einer sich drehenden<br />
Trommel. Die Kolben selbst sind mit Kugelgelenken an einer<br />
sich ebenfalls drehenden Scheibe befestigt. Dabei wird die Drehung von<br />
der Scheibe auf die Trommel entweder mit Hilfe der Kolben oder über<br />
ein zusätzliches Kar<strong>da</strong>ngelenk übertragen.<br />
Da sich durch den Winkel zwischen Scheibe und Trommel die Kugelgelenke<br />
der Kolben auf einer ellipsenförmigen Bahn bewegen, bewegen<br />
sich die Kolben während einer Umdrehung leicht hin und her. Damit für<br />
diese Bewegung ausreichend Spielraum vorh<strong>and</strong>en ist, sind die Kolben<br />
kegelförmig ausgebildet. Es kann sich aber auch ein weiteres Kugelgelenk<br />
im Kolben befinden.<br />
Während einer Umdrehung bewegt sich die Trommel mit den Kolben an<br />
zwei nierenförmigen Öffnungen vorbei. Über diese Öffnungen wird <strong>da</strong>s<br />
Ansaugen und <strong>da</strong>s Fördern gesteuert.<br />
Axialkolbenpumpen mit festem Winkel sind Konstantpumpen. Bei Verstellpumpen<br />
lässt sich der Winkel der Trommel und <strong>da</strong>durch der Förderstrom<br />
verändern. Kann die Verstellung über die Mittelstellung hinaus erfolgen<br />
lässt sich auch die Strömungsrichtung des Volumenstroms umkehren.<br />
α<br />
Bild 48: Axialkolbenpumpe, Schrägscheibe (Bild: BoschRexroth)<br />
89
90<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
Bei der Schrägscheibenbauart drehen sich die Kolben ebenfalls in einer<br />
Trommel. Die Kolben werden durch Federkraft gegen eine schrägstehende<br />
Scheibe gedrückt oder sind dort mit Kugelgelenken befestigt. Allerdings<br />
dreht sich die Scheibe selbst nicht mit sondern nur die Lagerung<br />
der Kolben.<br />
Auch bei dieser Bauart geschieht <strong>da</strong>s Steuern des Ansaugens und Ausstoßens<br />
durch nierenförmige Schlitze, an denen sich die Trommel bei<br />
der Drehung vorbeibewegt.<br />
Durch ein Verstellen der Schrägstellung der Scheibe kann der Hub der<br />
Kolben und <strong>da</strong>durch die Fördermenge verändert werden.<br />
Bei Axialkolbenpumpen nach dem Taumelscheibenprinzip dreht sich die<br />
Trommel mit den Kolben nicht. Dafür rotiert die schräg stehende Taumelscheibe,<br />
die nachein<strong>and</strong>er die Kolben in die Trommel drückt. Für den<br />
Rückhub werden die Kolben mit Federkraft gegen die Scheibe gedrückt.<br />
Die Schrägstellung der Taumelscheibe ist nicht veränderbar. Somit können<br />
diese Pumpen nur einen konstanten Volumenstrom fördern.<br />
Bild 49: Axialkolbenpumpe, Taumelscheibe (Bild: BoschRexroth)
Fluidtechnik<br />
2.5 Zylinder und Motoren<br />
Bild 50: Größenvergleich von Antrieben<br />
Minos<br />
In den Pumpen wird mechanische Energie in Druckenergie umgew<strong>and</strong>elt.<br />
In den hydraulischen Antrieben wird diese Druckenergie wieder in<br />
mechanische Energie zurückverw<strong>and</strong>elt. Die Antriebe, die eine lineare<br />
Bewegung erzeugen, werden Zylinder oder Hydrozylinder genannt. Im<br />
Gegensatz <strong>da</strong>zu werden Motoren für drehende Bewegungen verwendet.<br />
Mit Ventilen erfolgt die Steuerung der Antriebe. Verbunden werden die<br />
Antriebe mit den Pumpen durch Rohrleitungen und Schläuche.<br />
Hydraulische Zylinder werden eingesetzt, wo große Lasten mit entsprechend<br />
großen Kräften bewegt werden müssen. Typische Anwendungen<br />
sind Spannen und Drücken. Oftmals werden in solchen Fällen nur eher<br />
geringe Geschwindigkeiten benötigt. Hydraulikzylinder können aber auch<br />
große Geschwindigkeiten erreichen, wie beispielsweise beim Schließen<br />
des Werkzeugs bei Spritzgußmaschinen.<br />
Hydraulische Antriebe haben eine hohe Leistungsdichte. Sie sind deshalb<br />
wesentlich kleiner als <strong>and</strong>ere Antriebe von vergleichbarer Leistung.<br />
Besonders viel Volumen nehmen elektrische Antriebe ein. Pneumatische<br />
Antriebe liegen zwischen den elektrischen und hydraulischen Antrieben.<br />
Elektromotor (Drehstrom-Asynchronmotor)<br />
Druckluftmotor (Lamellenmotor)<br />
Hydraulikmotor (Zahnradmotor)<br />
91
92<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
2.5.1 Einfachwirkende Zylinder<br />
Zylinder werden in einfachwirkende und doppeltwirkende Bauformen<br />
unterteilt. Die einfachwirkenden Zylinder bringen nur in eine Richtung<br />
eine Kraft auf. Der Rückhub erfolgt durch eine Feder oder der Zylinder<br />
wird durch eine äußere Kraft zurückgestellt.<br />
Zylinder bestehen allgemein aus dem Kolben mit der Kolbenstange, dem<br />
Zylinderrohr und zwei Deckeln, die dieses Zylinderrohr an den beiden<br />
Enden verschließen. Bei einfachwirkenden Zylindern ist nur einen Anschluss<br />
für <strong>da</strong>s Zuführen und Ablassen der Hydraulikflüssigkeit vorh<strong>and</strong>en.<br />
Die Hydraulikflüssigkeit wird in den Kolbenraum geleitet und drückt dort<br />
auf den Kolben. Über die Kolbenstange wird diese Kraft nach außen<br />
übertragen. Die Kraft des Zylinders hängt somit von der Kolbenfläche<br />
und vom Druck der Hydraulikflüssigkeit ab. Die Geschwindigkeit, mit der<br />
ein Zylinder ausfährt, hängt <strong>da</strong>gegen vom zugeführten Volumenstrom<br />
ab.<br />
Der Kolben kann wie bei den doppeltwirkenden Zylindern scheibenförmig<br />
ausgebildet sein. Ohne Druckbeaufschlagung ist eine eingefahrene<br />
oder ausgefahrene Grundstellung des Zylinders möglich. Bei Zylindern<br />
mit Federrückstellung ist der Hub nur kurz, <strong>da</strong> die Feder einen gewissen<br />
Einbauraum erfordert und sich die Federkraft auch mit dem Hub ändert.<br />
Bei Plungerzylindern, die auch als Tauchkolbenzylinder bezeichnet werden,<br />
bildet die Kolbenstange gleichzeitig den Kolben. Dabei muss durch<br />
Anschläge verhindert werden, <strong>da</strong>ss die Kolbenstange aus dem Zylinder<br />
vollständig herausfährt.<br />
An die Innenfläche des Zylinders werden bei dieser Bauart keine besonderen<br />
Anforderungen gestellt. Es muss nur die Kolbenstange gegen <strong>da</strong>s<br />
Gehäuse abgedichtet werden. Plungerzylinder sind aus diesem Grund<br />
einfach herzustellen und <strong>da</strong>mit kostengünstig.<br />
Plungerzylinder werden in Hebebühnen oder Gabelstaplern eingesetzt,<br />
kommen aber auch als Radbremszylinder zum Einsatz. Auf die Kolbenstangen<br />
dürfen keine Querkräfte einwirken. Für möglicherweise auftretende<br />
Querkräfte sind Führungseinheiten vorzusehen.<br />
Ein weiterer besonderer einfachwirkender Zylinder ist der Teleskopzylinder.<br />
Hier befinden sich mehrere Kolben inein<strong>and</strong>er, die normalerweise<br />
nachein<strong>and</strong>er ausfahren. Die Länge eines Teleskopzylinders ist<br />
nicht viel größer als der Hub einer Stufe.<br />
Teleskopzylinder bestehen aus bis zu fünf Stufen. Daraus ergibt sich ein<br />
insgesamt sehr langer Hub im Vergleich zur Baulänge des eingefahrenen<br />
Zylinders. Querkräfte können von Teleskopzylindern nicht aufgenommen<br />
werden.
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Bei den Teleskopzylindern sind viele Abdichtungen erforderlich und somit<br />
werden auch hohe Anforderungen an die Genauigkeit gestellt. Deshalb<br />
sind die Kosten für Teleskopzylinder entsprechend hoch.<br />
Das Ausfahren eines Teleskopzylinders beginnt immer mit dem Kolben<br />
mit der größten Fläche. Mit diesem Kolben wird auch die größte Kraft<br />
erzeugt. Danach fahren die <strong>and</strong>eren Kolben entsprechend ihrer Kolbenfläche<br />
aus bis zuletzt auch der Kolben mit der kleinsten Fläche ausgefahren<br />
ist. Dementsprechend nimmt mit den immer kleineren Kolbenflächen<br />
gleichzeitig auch die Kraft des Teleskopzylinders ab.<br />
Im Gegensatz <strong>da</strong>zu nimmt mit abnehmenden Kolbendurchmesser die<br />
Geschwindigkeit des Ausfahrens zu, falls der Volumenstrom konstant<br />
gehalten wird. Das Einfahren läuft in der umgekehrten Reihenfolge ab,<br />
der kleinste Kolben fährt zuerst ein. Dabei sollte der Volumenstrom gedrosselt<br />
werden, <strong>da</strong> sonst die Kolben zu hart in ihren Endlagen anschlagen<br />
können.<br />
Eingesetzt werden Teleskopzylinder beispielsweise bei Muldenkippern<br />
oder bei hydraulisch bewegten Aufzügen. Bei Muldenkippern spielt <strong>da</strong>s<br />
Abnehmen der Kraft beim Ausfahren eine geringere Rolle, <strong>da</strong> die größte<br />
Kraft sowieso beim Anheben der Mulde benötigt wird und im Verlauf des<br />
Kippens die Mulde bereits teilweise entleert ist. Bei Aufzügen <strong>da</strong>gegen<br />
ist zu beachten, <strong>da</strong>ss die maximal erforderliche Kraft auch mit dem kleinsten<br />
der Kolben erreicht werden muss.<br />
Teleskopzylinder werden auch als doppeltwirkende Bauform hergestellt.<br />
Das Einfahren muss <strong>da</strong>nn nicht durch eine äußere Kraft erfolgen sondern<br />
durch <strong>da</strong>s Beaufschlagen der Kolbenstangenseite mit Druck. In diesem<br />
Fall fährt der Kolben mit der größten Fläche zuerst ein.<br />
Teleskopzylinder, bei denen alle Stufen die gleiche Kolbenfläche haben,<br />
werden als Gleichgang-Teleskopzylinder bezeichnet. Da alle Kolben die<br />
gleiche Fläche haben, fahren sie auch gleichzeitig aus. Somit werden<br />
Stöße beim Übergang von einer zur nächsten Stufe vermieden.<br />
93
94<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
2.5.2 Doppeltwirkende Zylinder<br />
Doppeltwirkende Zylinder werden sehr häufig eingesetzt. Sie bringen in<br />
beiden Hubrichtungen eine Kraft auf. An den beiden Anschlüssen für die<br />
Hydraulikflüssigkeit wird <strong>da</strong>zu je nach gewünschter Bewegungsrichtung<br />
Druck angelegt oder der Anschluss mit dem Tank verbunden.<br />
Hydraulikzylinder können aufgrund der hohen Drücke große Kräfte erzeugen.<br />
Um diese Kraft aufzunehmen haben die Kolbenstangen der<br />
Hydraulikzylinder größere Durchmesser als Pneumatikzylinder mit vergleichbaren<br />
Kolbendurchmessern.<br />
Die Kolbenfläche ist bei vielen Hydraulikzylindern etwa doppelt so groß<br />
wie die Ringfläche des Kolbens an der Kolbenstangenseite. Daraus ergibt<br />
sich, <strong>da</strong>ss die erzeugte Kraft bei einem Hydraulikzylinder beim Ausfahren<br />
auch etwa doppelt so groß ist wie beim Einfahren, wenn der gleiche<br />
Druck verwendet wird.<br />
Gleichzeitig ergeben sich aus den verschieden großen Kolbenflächen<br />
auch verschieden große Räume auf den beiden Seiten des Kolbens eines<br />
Zylinders. Bei einem konstanten Volumenstrom fährt ein Zylinder<br />
deshalb nur halb so schnell aus wie er einfährt.<br />
Bild 51: Doppeltwirkender Zylinder (Bild: BoschRexroth)
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Mit einer speziellen Schaltung ist es jedoch möglich, beim Ausfahren die<br />
Hydraulikflüssigkeit der Kolbenstangenseite der Kolbenseite des Zylinders<br />
wieder zuzuführen. Damit wird eine höhere Ausfahrgeschwindigkeit<br />
bei allerdings geringerer Kraft erreicht. Genutzt wird die höhere Ausfahrgeschwindigkeit<br />
bei einem Eilvorschub, bei dem nur eine geringe<br />
Kraft benötigt wird.<br />
Weiterhin besteht die Möglichkeit, die unterschiedlich großen Flächen<br />
des Kolbens für eine Druckübersetzung zu nutzen. Kann die Hydraulikflüssigkeit<br />
aus dem Kolbenstangenraum nicht entweichen, so wird je nach<br />
dem Flächenverhältnis am Kolben auch ein entsprechend hoher Druck<br />
im Kolbenstangenraum erzeugt.<br />
Solche hohen Drücke können auch entstehen, wenn die Hydraulikflüssigkeit<br />
beim Herausströmen aus dem Kolbenstangenraum zu stark<br />
gedrosselt wird. Beim Auslegen der Rohr- und Schlauchleitungen sowie<br />
der Ventile ist dies zu beachten.<br />
Aufgrund der Unterschiede der verschieden großen Kolbenflächen werden<br />
Zylinder mit einseitiger Kolbenstange auch Differentialzylinder genannt.<br />
Im Gegensatz <strong>da</strong>zu werden Zylinder als Gleichgangzylinder bezeichnet,<br />
wenn der Zylinder auf beiden Seiten eine Kolbenstange hat.<br />
Bei Gleichgangzylindern sind die beiden Kolbenflächen gleich groß. Sie<br />
bringen deshalb in beide Hubrichtungen eine gleich große Kraft auf.<br />
Gleichzeitig ist die Verfahrgeschwindigkeit in beiden Hubrichtungen bei<br />
einem bestimmten Volumenstrom gleich groß.<br />
Hydraulikzylinder können auch über eine Endlagendämpfung verfügen.<br />
Damit soll vermieden werden, <strong>da</strong>ss der Kolben beim Erreichen der<br />
Endlage hart anschlägt. Die Endlagendämpfung wird <strong>da</strong>bei vorallem <strong>da</strong>nn<br />
eingesetzt, wenn der Zylinder mit größeren Geschwindigkeiten verfährt<br />
oder wenn größere Massen bewegt werden, die in der Endlage abgebremst<br />
werden müssen.<br />
Kurz vor dem Erreichen der Endlage wird mit einem Teil des Kolbens die<br />
Öffnung verschlossen, aus der die Hydraulikflüssigkeit den Zylinder verlässt.<br />
Nur eine Drosselstelle bleibt frei, wobei die Drossel und <strong>da</strong>mit die<br />
Stärke der Drosselung einstellbar ist. Parallel zur Drossel ist ein Rückschlagventil<br />
eingebaut, so <strong>da</strong>ss bei Ausfahren die Wirkung der Drossel<br />
umgangen wird.<br />
Der Kolbenteil zum Verschließen der Öffnung für den freien Ablauf kann<br />
mit Kerben oder Bohrungen versehen werden. Dadurch wird vermieden,<br />
<strong>da</strong>ss die Drosselwirkung schlagartig einsetzt, was ebenfalls zu einem<br />
störenden Stoss führen kann.<br />
95
96<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
2.5.3 Befestigung der Zylinder<br />
Zusätzlich zu den beschriebenen doppeltwirkenden Zylindern gibt es eine<br />
Reihe von Sonderbauformen.<br />
Zur Erhöhung der Kraft können zwei Zylinder hinterein<strong>and</strong>er angeordnet<br />
werden. Diese T<strong>and</strong>emzylinder haben zwar etwa die doppelte Baulänge<br />
einen Zylinders mit vergleichbaren Hub, die Kraft ist <strong>da</strong>für aber fast doppelt<br />
so groß wie bei einem Zylinder mit dem gleichen Kolbendurchmesser.<br />
Diese Bauart wird eingesetzt, wenn dem Durchmesser des Zylinders<br />
Grenzen gesetzt sind, jedoch eine hohe Kraft erforderlich ist.<br />
Zur Erhöhung der Geschwindigkeit werden Eilgangzylinder eingesetzt.<br />
Die Bauform ähnelt einem Teleskopzylinder mit nur zwei Stufen. Im ersten<br />
Teil des Hubes fährt nur der Eilgangkolben aus. Dabei wird eine<br />
hohe Geschwindigkeit bei einer nur geringen Kraft erreicht. Erst zu Beginn<br />
des Arbeitshubes wird die gesamte Kolbenfläche mit Druck beaufschlagt.<br />
Bei geringerer Geschwindigkeit wird <strong>da</strong>nn die volle Kraft aufgebracht.<br />
Eilgangzylinder können beispielsweise in Pressen verwendet werden.<br />
Zum Erzeugen einer Schwenkbewegung werden Bauarten mit einem<br />
Schwenkflügel eingesetzt. Der Schwenkflügel befindet sich auf einer Welle<br />
und kann von beiden Seiten mit Druck beaufschlagt werden. Die Größe<br />
der <strong>da</strong>bei entstehenden Schwenkbewegung wird vom Gehäuse bestimmt.<br />
Es sind Schwenkbewegungen bis zu etwa 300° möglich.<br />
Ein Drehkolbenzylinder ähnelt vom Aufbau her dem Schwenkzylinder.<br />
Der Kolben hat hier eine gebogene Bauform und bewegt sich in einem<br />
gebogenem Zylinderrohr.<br />
Hydraulikzylinder können auf vielfältige Weise befestigt werden. Es wird<br />
zwischen einer starren und einer beweglichen Befestigung unterschieden.<br />
Bei der starren Befestigung kann die Versorgung des Zylinders mit<br />
Hydraulikflüssigkeit über Rohrleitungen erfolgen. Für eine bewegliche<br />
Befestigung des Zylinders sind Schlauchleitungen erforderlich.<br />
Zu den starren Befestigungen zählt die Fußbefestigung. Hier wird der<br />
Zylinder an beiden Enden befestigt. Eine starre Befestigung ist aber auch<br />
mit einem Flansch möglich, der nur an der Kolbenbodenseite oder der<br />
Kolbenstangenseite befestigt ist. Muss der Zylinder vorallem beim Ausfahren<br />
Kraft aufbringen, so wird der Flansch eher an der Kolbenbodenseite<br />
angebracht. Ein Flansch an der Kolbenstangenseite wird <strong>da</strong>gegen<br />
bevorzugt, wenn der Zylinder eine Kraft beim Einfahren aufbringen muss.<br />
Für eine bewegliche Befestigung wird am Ende des Zylinders ein Gabelkopf<br />
angebracht. Ist der Zylinder in der Mitte beweglich befestigt, so wird<br />
diese Befestigung als Mittelzapfen bezeichnet.
Fluidtechnik<br />
Bild 52: Hydraulikzylinder mit Gabelkopf<br />
Minos<br />
Mit Hilfe eines Schwenkauges können neben der Schwenkbewegung<br />
auch leichte seitliche Bewegungen ausgeführt werden. Am<br />
Kolbenstangenende kann sich ebenfalls ein Gabelkopf oder ein Schwenkauge<br />
befinden. Es ist aber auch möglich, <strong>da</strong>ss dort nur ein Gewinde<br />
vorh<strong>and</strong>en ist.<br />
Bei größeren Hüben ist bei der Befestigung des Zylinders auch auf die<br />
Gefahr des Ausknickens der Kolbenstange zu achten. In diesen Fällen<br />
muss zunächst die Knicklast berechnet werden. Daraus wird mit einem<br />
Sicherheitsfaktor von 3,5 die maximale Betriebslast errechnet.<br />
Für die Ermittlung der Knicklast werden die Berechnungen von schlanken<br />
Stäben nach Euler herangezogen. Je nach Befestigungsart ist <strong>da</strong>zu<br />
ein <strong>da</strong>zu passender Belastungsfall auszuwählen. Die Berechnung erfolgt<br />
für Zylinder und Kolbenstange gemeinsam.<br />
Die Ermittlung der Knicklast ist vielfach aber auch durch Diagramme<br />
möglich, die von den Herstellern in den technischen Unterlagen bereitgestellt<br />
werden.<br />
97
98<br />
Minos<br />
2.5.4 Hydraulikmotore<br />
Fluidtechnik<br />
Hydraulikmotoren sind prinzipiell ähnlich aufgebaut wie die Hydraulikpumpen.<br />
Teilweise können diese direkt ohne Veränderung als Motor betrieben<br />
werden, bei <strong>and</strong>eren Bauarten ist <strong>da</strong>s nicht möglich. Pumpen<br />
sollten aber normalerweise nicht als Motor eingesetzt werden, <strong>da</strong> Motoren<br />
zur Verbesserung des Wirkungsgrades doch konstruktive Änderungen<br />
aufweisen.<br />
Im Gegensatz zu den Pumpen wird bei den Motoren der Volumenstrom,<br />
der durch den Motor hindurchströmt, als Schluckvolumen bezeichnet.<br />
Ein Teil der Hydraulikmotoren hat pro Umdrehung ein konstantes Schluckvolumen.<br />
Bei diesen Motoren kann die Drehzahl nur über den Volumenstrom<br />
verändert werden. Bei Motoren mit einem veränderbaren Schluckvolumen<br />
lässt sich die Drehzahl auch am Motor verstellen. Die Drehzahl<br />
lässt sich <strong>da</strong>durch in einem größeren Bereich verstellen.<br />
Hydraulikmotoren werden nach der Drehzahl in Schnell- und Langsamläufer<br />
unterteilt. Motoren mit Drehzahlen unter 500 Umdrehungen in der<br />
Minute werden als Langsamläufer bezeichnet.<br />
Mit Zahnradmotoren sind sehr hohe Drehzahlen von mehreren tausend<br />
Umdrehungen pro Minute möglich. Sie haben ein konstantes Schluckvolumen<br />
und sind den Zahnradpumpen vom Prinzip her sehr ähnlich.<br />
Zahnradmotoren gibt es für eine oder für zwei Drehrichtungen. Bei zwei<br />
Drehrichtungen, solche Motoren werden als reversierbar bezeichnet,<br />
haben die inneren Dichtungen einen symmetrischen Aufbau. Bei Motoren<br />
für nur eine Drehrichtung sind die Dichtungen den Druckverhältnissen<br />
im Motor angepasst. Hier <strong>da</strong>rf die Hochdruckseite nicht mit der<br />
Niederdruckseite vertauscht werden.<br />
Um den Motor in Umdrehung zu versetzen, wird der Hochdruckanschluss<br />
mit Druck beaufschlagt. Dieser wirkt auf die Zahnräder und erzeugt somit<br />
an der Welle ein Drehmoment. Das durch Undichtigkeiten entstehende<br />
Lecköl wird über einen gesonderten Anschluss zum Tank zurückgeführt.<br />
Auch die Axialkolbenmotoren ähneln vom Aufbau her den vergleichbaren<br />
Axialkolbenpumpen. Dabei wird sowohl <strong>da</strong>s Schrägscheiben- als auch<br />
<strong>da</strong>s Schrägachsenprinzip verwendet. Die Drehzahl und <strong>da</strong>s Drehmoment<br />
können <strong>da</strong>bei durch Verändern der Schrägstellung verändert werden.<br />
Auch eine Umkehrung der Drehrichtung ist <strong>da</strong>durch möglich.<br />
Axialkolbenmotoren sind sehr kompakt und werden beispielsweise als<br />
Fahrantrieb von langsam fahrenden Baumaschinen eingesetzt. Der Motor<br />
treibt in diesem Fall <strong>da</strong>s Rad direkt und ohne zwischengeschaltetes<br />
Getriebe an.
Fluidtechnik<br />
Bild 53: Gerotor (Bild: BoschRexroth)<br />
Minos<br />
Bei den Radialkolbenmotoren können die Kolben wie bei den Pumpen<br />
von innen oder von außen mit Druck beaufschlagt werden. Drücken die<br />
Kolben nach innen auf einen Exzenter, so wird pro Kolben und Umdrehung<br />
nur ein Hub ausgeführt.<br />
Bei der umgekehrten Bauweise drücken die Kolben von innen gegen ein<br />
wellenförmiges Gehäuse. Um die Reibung zu verringern, sind die Kolben<br />
an ihren Enden mit Rollen versehen. Bei jeder Umdrehung führen<br />
die Kolben mehrere Hübe aus. Dadurch sind diese Motoren eher für<br />
geringe Drehzahlen geeignet.<br />
Radialkolbenmotoren haben ein konstantes Schluckvolumen. Teilweise<br />
kann man die Hälfte der Kolben abschalten. Dadurch wird die doppelte<br />
Drehzahl bei allerdings nur noch halb so großem Drehmoment erreicht.<br />
Ein weiterer langsamlaufender Motor ist der Gerotor. Er ist mit einer innenverzahnten<br />
Zahnradpumpe vergleichbar, bei der <strong>da</strong>s innere Zahnrad einen<br />
Zahn weniger hat als <strong>da</strong>s äußere. Bei Druckbeaufschlagung rollt<br />
<strong>da</strong>s innere Zahnrad taumelnd auf dem äußeren Zahnrad ab. Eine Kar<strong>da</strong>nwelle<br />
verbindet <strong>da</strong>s innere Zahnrad mit der Abtriebswelle. Bei einer<br />
kompletten Umdrehung des Zahnrades wird die Abtriebswelle aber nur<br />
um einen Zahn weitergedreht.<br />
99
100<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
2.6 Rohr- und Schlauchleitungen<br />
Gerotoren haben einen kompakten Aufbau und sind sehr robust. Das<br />
konstante Schluckvolumen ist groß, so <strong>da</strong>ss bei geringen Drehzahlen<br />
ein großes Drehmoment erreicht wird.<br />
Je nach Hersteller sind auch weitere Hydraulikmotoren möglich. Bei den<br />
Flügelzellenpumpen ähnlichen Bauweisen werden die Flügel mit Druck<br />
beaufschlagt und <strong>da</strong>durch ein Drehmoment erzeugt. Bei <strong>and</strong>eren Bauformen<br />
erfolgt die Abdichtung der Räume zwischen den Flügeln durch<br />
Drehschieber.<br />
Von der Pumpe zum Verbraucher wird die Hydraulikflüssigkeit vorallem<br />
über starre Rohrleitungen transportiert. Schläuche werden nur verwendet,<br />
wenn bewegliche Bauteile angeschlossen werden sollen.<br />
Um auf Schlauch- oder Rohrleitungen verzichten zu können, werden<br />
unterschiedliche Bauteile, meistens Ventile, direkt mitein<strong>and</strong>er verbunden.<br />
Bei dieser Verkettung genannten Methode fließt die Hydraulikflüssigkeit<br />
durch Bohrungen zum nächsten Bauteil.<br />
Rohr und Schlauchleitungen werden durch innere und äußere Kräfte<br />
beansprucht. Zunächst müssen sie dem von der Pumpe erzeugten Druck<br />
st<strong>and</strong>halten, also die entsprechende W<strong>and</strong>stärke aufweisen. Es ist bei<br />
der Auslegung aber auch <strong>da</strong>rauf zu achten, <strong>da</strong>ss durch eine Druckübersetzung<br />
höhere Drücke als von der Pumpe geliefert auftreten können.<br />
Durch Ausdehnung bei Wärme oder durch Schwingungen werden Rohrleitungen<br />
zusätzlich belastet. Dabei <strong>da</strong>rf es nicht zu Verspannungen kommen.<br />
Auch zu kleine Biegeradien sind zu vermeiden. Insgesamt sind<br />
Biegungen und Querschnittsänderungen möglichst zu vermeiden <strong>da</strong> an<br />
diesen Stellen immer Druckverluste entstehen. Entlüftungsöffnungen an<br />
den höchsten Stellen sollen <strong>da</strong>s Entfernen von Luft aus dem Leitungssystem<br />
ermöglichen.<br />
Für die Auslegung des Durchmessers der Rohrleitungen ist die durchschnittliche<br />
Strömungsgeschwindigkeit heranzuziehen. Bei vielen Rohrleitungen<br />
fließt der gesamte von der Pumpe geförderte Volumenstrom<br />
hindurch. Die Strömungsgeschwindigkeit solle <strong>da</strong>bei im Bereich von 4<br />
bis 7 m/s liegen. Die höheren Geschwindigkeiten sollten nur bei höheren<br />
Drücken erreicht werden.<br />
Um Kavitation zu vermeiden sollten in Saugleitungen keine mittleren Strömungsgeschwindigkeiten<br />
von mehr als 1 m/s auftreten. Saugleitungen<br />
haben deshalb einen größeren Innendurchmesser als die Druckleitungen.<br />
Die Rückleitungen zum Tank sollten für Strömungsgeschwindigkeiten von<br />
etwa 3 m/s ausgelegt werden.
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Lösbare Verbindungen von Rohrleitungen werden mit Überwurfmuttern<br />
und Schneidringen hergestellt. Dabei wird die scharfe Kante des Dichtringes<br />
gegen <strong>da</strong>s Rohr gepresst und so eine dichte Verbindung hergestellt.<br />
Bei größeren Rohrleitungen werden Flansche benutzt.<br />
Mit Rohrgelenken sind Verbindungen zu drehenden Bauteilen möglich.<br />
Die auftretenden Kräfte werden <strong>da</strong>bei von einem Wälzlager aufgenommen.<br />
Für die eigentliche Bewegung sind somit nur geringe Kräfte erforderlich.<br />
Schlauchleitungen werden aus einem ölbeständigen Gummi hergestellt,<br />
in dem Gewebe- oder Stahlgeflechte für die erforderliche Druckfestigkeit<br />
sorgen. Bei Beaufschlagung mit Druck dehnen sie sich leicht aus, was<br />
insgesamt zu einer erhöhten Nachgiebigkeit des Hydraulikanlage führt.<br />
Nach Zahnradpumpen wird dieser Effekt jedoch auch zu Dämpfung der<br />
Schwingungen genutzt.<br />
Für lösbare Schlauchverbindungen werden Schnellverschlusskupplungen<br />
verwendet. Diese dürfen aber nur im drucklosen Zust<strong>and</strong> aufgetrennt<br />
werden.<br />
Schlauchverbindungen müssen ohne Knicke verlegt werden. Sie dürfen<br />
nicht verdreht werden oder unter Zug stehen. Um zu enge Biegeradien<br />
zu vermeiden, sollte der Schlauch möglichst nach unten hängen.<br />
Bild 54: Richtige Verlegung von Schläuchen<br />
101
102<br />
Minos<br />
2.7 Wegeventile<br />
Fluidtechnik<br />
Die Energieübertragung von der Pumpe zum hydraulischen Antrieb wird<br />
durch verschiedene Ventile beeinflusst. Die Wegeventile schalten<br />
Hydraulikmotore oder Zylinder ein und aus und kehren auch ihre<br />
Bewegungsrichtung um. Um die Volumenströme oder Drücke zu steuern,<br />
müssen die Wegeventile die Verbindungen zwischen verschiedenen<br />
hydraulischen Leitungen herstellen oder unterbrechen.<br />
Wegeventile werden von ihrem konstruktiven Aufbau her in Sitzventile<br />
und Schieberventile unterschieden. Zu den Schieberventilen gehören<br />
die Kolbendrehschieber und die Kolbenlängsschieber, wobei heute vorallem<br />
die Ausführungen mit Kolbenlängsschieber zum Einsatz kommen.<br />
Das ist auch <strong>da</strong>durch begründet, weil sie besser mit Elektromagneten<br />
angesteuert werden können.<br />
Bei den Kolbenlängsschieberventilen bewegt sich ein Kolbenschieber in<br />
einer zylindrischen Bohrung des Ventilgehäuses hin und her. Dabei werden<br />
je nach Stellung des Schiebers die verschiedenen Anschlüsse mitein<strong>and</strong>er<br />
verbunden oder gegenein<strong>and</strong>er abgesperrt.<br />
Die Betätigungskräfte für Kolbenschieberventile sind gering, <strong>da</strong> sich die<br />
Druckkräfte am Kolbenschieber ausgleichen. Entsprechend klein können<br />
die Elektromagneten bei elektrischer Ansteuerung gehalten werden.<br />
Je nach Gestaltung der Anschlüsse im Gehäuse und des Kolbenschiebers<br />
ist es möglich, auch mehrere Volumenströme gleichzeitig zu schalten.<br />
A<br />
P<br />
Bild 55: Sitzventil (Bild: BoschRexroth)<br />
T
Fluidtechnik<br />
2.7.1 Bezeichnung der Wegeventile<br />
Minos<br />
Zwischen dem Kolbenschieber und dem Gehäuse besteht ein Ringspalt.<br />
Aus diesem Grund sind Kolbenschieberventile nicht absolut dicht. Gleichzeitig<br />
sind Kolbenschieberventile empfindlich gegenüber feinem Schmutzpartikeln,<br />
die sich im Ringspalt festsetzen und zum Klemmen des Kolbenschiebers<br />
führen können. Größere Schmutzpartikel sind <strong>da</strong>gegen weniger<br />
problematisch. Sie werden durch die großen Querschnitte bei geöffnetem<br />
Ventilstellungen gespült.<br />
In Sitzventilen werden kugel- oder kegelförmige Dichtkörper verwendet.<br />
Mit einer Feder werden sie gegen ihren Sitz gedrückt. Der Durchfluss<br />
wird freigegeben, indem der Dichtkörper durch einen Stößel gegen die<br />
Federkraft vom Sitz abgehoben wird. Der zu schaltende Druck muss<br />
<strong>da</strong>bei immer in der gleichen Richtung wirken wie die Kraft der Feder.<br />
Wird ein Sitzventil in der falschen Richtung mit Druck beaufschlagt, so<br />
hebt der Dichtungskörper gegen die Kraft der Feder ab und <strong>da</strong>s Wegeventils<br />
würde nicht funktionieren.<br />
Da der am Ventil anliegende Druck bei abgesperrten Ventil den Dichtkörper<br />
zusätzlich zur Federkraft auf seinen Sitz drückt, dichten Sitzventile<br />
besonders gut ab. Die Anpresskraft steigt <strong>da</strong>bei mit dem Druck an, so<br />
<strong>da</strong>ss Sitzventile als praktisch leckagefrei gelten. Trotzdem werden Sitzventile<br />
eher bei einfachen Ventilen mit nur wenigen Anschlüssen verwendet.<br />
Die Sitzventile sind im Vergleich zu den Schieberventilen unempfindlicher<br />
gegenüber feinem Schmutz, <strong>da</strong> bei den Sitzventilen keine gleitende<br />
Bewegung zwischen Ventilkörper und Gehäuse vorkommt. Allerdings<br />
besteht die Möglichkeit, <strong>da</strong>ss größere Schmutzpartikel bei geschlossenem<br />
Ventil zwischen dem Dichtkörper und seinem sitz eingeklemmt werden<br />
und <strong>da</strong>s Ventil <strong>da</strong>durch undicht ist.<br />
Die Bezeichnung der Wegeventile erfolgt durch zwei Ziffern, die durch<br />
einen Schrägstrich getrennt werden. Vor dem Schrägstrich steht die Anzahl<br />
der Anschlüsse und <strong>da</strong>nach die Anzahl der Schaltstellungen. Viele<br />
Wegeventile in der Hydraulik haben vier Anschlüsse bei zwei oder drei<br />
Schaltstellungen. Sie werden dementsprechend als 4/2- oder 4/3-Wegeventile<br />
bezeichnet. Es sind aber auch <strong>and</strong>ere Kombinationen möglich.<br />
Durch Verschließen eines Ausganges kann beispielsweise ein 4/2-Wegeventil<br />
zu einem 3/2-Wegeventil umgebaut werden.<br />
Die Bezeichnung der Anschlüsse erfolgt im Gegensatz zur Pneumatik<br />
mit Buchstaben. Mit dem Buchstaben P wird der Druckanschluss bezeichnet.<br />
Die bei Wegeventilen mit vier Anschlüssen vorh<strong>and</strong>enen zwei<br />
Arbeitsanschlüsse bekommen die Buchstaben A und B. Die Rückleitung<br />
zum Tank kennzeichnet ein T.<br />
103
104<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
2.7.2 Überdeckung der Schaltstellungen<br />
Im Symbol des Wegeventils bekommen die Kästchen der zwei Schaltstellungen<br />
ein a und ein b. Bei drei Schaltstellungen wird <strong>da</strong>s mittlere<br />
Kästchen mit einer Null gekennzeichnet. Von dieser Mittelstellung aus<br />
kann in die beiden <strong>and</strong>eren Schaltstellungen umgeschaltet werden. Die<br />
Stellung, die <strong>da</strong>s Ventil ohne Betätigung einnimmt, wird als Ruhestellung<br />
bezeichnet. Im Symbol ist <strong>da</strong>s meist <strong>da</strong>s rechte Kästchen bei zwei<br />
Schaltstellungen oder <strong>da</strong>s mittlere Kästchen bei drei Schaltstellungen.<br />
In der Hydraulik kommen bei Wegeventilen mit drei Schaltstellungen die<br />
unterschiedlichsten Mittelstellungen zu Einsatz. Um einen Motor oder<br />
Zylinder anzuhalten werden Sperrmittelstellungen verwendet. In diesem<br />
Fall sind alle Anschlüsse gegenein<strong>and</strong>er abgesperrt. Bei einer Konstantpumpe<br />
muss diese trotzdem den vollen Druck erzeugen. Der Volumenstrom<br />
wird über <strong>da</strong>s Druckbegrenzungsventil zurück zum Tank geleitet.<br />
Da der Druck weiterhin vorh<strong>and</strong>en ist, können <strong>da</strong>mit auch <strong>and</strong>ere Verbraucher<br />
betrieben werden.<br />
Bei der Umlaufmittelstellung <strong>da</strong>gegen ist der Druckanschluss mit dem<br />
Tankanschluss verbunden. Die Pumpe fördert den Volumenstrom nahezu<br />
drucklos zurück zum Tank. Die beiden Anschlüsse zum Antrieb sind<br />
wie bei der Sperrmittelstellung abgesperrt. Durch den drucklosen Umlauf<br />
ist der Energieverbrauch geringer, was mit einer geringeren Erwärmung<br />
der Hydraulikflüssigkeit verbunden ist.<br />
Beim drucklosen Umlauf steht allerdings für <strong>and</strong>ere Verbraucher kein<br />
Druck mehr zur Verfügung. Dies wird zwar vermieden, wenn mehrere<br />
Ventile mit Umlaufmittelstellung hinterein<strong>and</strong>er geschalten werden. Dabei<br />
kommt es allerdings zu Problemen, wenn auch mehrere Verbraucher<br />
gleichzeitig eingeschaltet werden.<br />
Bei einer weiteren Mittelstellung sind drei der vier Anschlüsse mitein<strong>and</strong>er<br />
verbunden. So können beide Arbeitsanschlüsse gleichzeitig mit Druck<br />
beaufschlagt werden oder mit dem Tank verbunden sein. Diese Mittelstellung<br />
wird als Stuhlmittelstellung bezeichnet. Es gibt auch Mittelstellungen,<br />
bei denen alle vier Anschlüsse verbunden sind. Bei Ventilen mit<br />
mehr als vier Anschlüssen sind noch weitere Varianten möglich.<br />
Für ein schnelles Zu- und Abschalten der Antriebe müssen auch die<br />
Wegeventile schnell schalten. Beim raschen Öffnen oder Schließen der<br />
Öffnungen treten jedoch unerwünschte Druckspitzen in den Volumenströmen<br />
auf.<br />
Die Steuerkanten enthalten aus diesem Grund Nuten oder Fasen. Beim<br />
Umschalten wird so der Volumenstrom geringer beschleunigt als bei<br />
scharfkantigen Steuerkanten.
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Durch <strong>da</strong>s Verschieben des Ventilschiebers werden die verschiedenen<br />
Anschlüsse des Wegeventils abgesperrt oder freigegeben. In welcher<br />
Reihenfolge dies geschieht, wird mit dem Begriff Überdeckung bezeichnet.<br />
Eine positive Überdeckung bedeutet, <strong>da</strong>ss zunächst ein Anschluss abgesperrt<br />
wird bevor bei der Weiterbewegung des Schiebers der nächste<br />
Anschluss freigegeben wird. Somit sind während der Bewegung des<br />
Ventilschiebers für einen kurzen Moment alle Anschlüsse abgesperrt.<br />
Dadurch kann kein Volumenstrom unkontrolliert durch <strong>da</strong>s Wegeventil<br />
strömen.<br />
Bei der negativen Überdeckung sind <strong>da</strong>gegen während des Hubes des<br />
Ventilschiebers die Anschlüsse kurzzeitig mitein<strong>and</strong>er verbunden. Die<br />
Öffnung eines Anschlusses erfolgt kurz bevor der <strong>and</strong>ere Anschluss abgesperrt<br />
wird. Das Auftreten von Druckstößen wird <strong>da</strong>durch verringert.<br />
Die Nullüberdeckung erfordert eine hohe Genauigkeit bei der Herstellung<br />
der Ventile. Das Öffnen und Schließen der Anschlüsse erfolgt hier<br />
gleichzeitig. Es ist aber <strong>da</strong>durch möglich, sowohl die Vorteile der positiven<br />
als auch der negativen Überdeckung zu nutzen.<br />
Die grafische Darstellung der Überdeckung des Ventilschiebers erfolgt<br />
mit Steuerdiagrammen. Die positive oder negative Überdeckung wird<br />
auch als Zwischenstellung im Symbol als zusätzliche Kästchen <strong>da</strong>rgestellt.<br />
Ü<br />
Bild 56: Überdeckung am Ventilschieber (Bild: BoschRexroth)<br />
Ü<br />
105
106<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
2.7.3 Betätigungen von Wegeventilen<br />
Die Wegeventile können je nach Anwendungsfall mit Muskelkraft, mechanisch<br />
über Maschinenteile, elektrisch mit Magnetspulen oder pneumatisch<br />
oder hydraulisch betätigt werden. Bei kleineren Wegeventile<br />
erfolgt die Ansteuerung direkt, bei größeren erfolgt eine Verstärkung des<br />
Steuersignals durch ein Vorsteuerventil. Vorallem elektrisch betätigte<br />
Wegeventile sind vorgesteuert.<br />
Muskelkraftbetätigte Wegeventile besitzen häufig einen Hebel. Bei Wegeventilen<br />
mit zwei Schaltstellungen erfolgt die Rückstellung mit einer Feder.<br />
Sind drei Schaltstellungen vorh<strong>and</strong>en, so wird mit Hilfe von Federn<br />
die Mittelstellung eingenommen, wenn keine Betätigung erfolgt. Bei rastenden<br />
Wegeventilen bleibt die gewählte Schaltstellung auch ohne<br />
weitere Betätigung erhalten.<br />
Mechanisch betätigte Wegeventile besitzen oftmals eine Rolle. Auf diese<br />
wird durch mechanische Bauteile der Maschine wie Nocken oder auch<br />
Kurvenscheiben gedrückt. Mit einer Feder wird <strong>da</strong>s Ventil in die Ausgangsstellung<br />
zurückgestellt.<br />
Das Betätigen eines Wegeventils kann auch mit hydraulischem oder<br />
pneumatischem Druck erfolgen. Dieser drückt auf einen kleinen Kolben<br />
am Wegeventil. Da in der Hydraulik mit wesentlich höheren Drücken<br />
gearbeitet wird als in der Pneumatik, sind bei hydraulisch betätigten Ventilen<br />
kleinere Kolbenflächen möglich als bei pneumatisch betätigten Ventilen.<br />
Elektrisch betätigte Wegeventile werden vorallem in automatisierten Anlagen<br />
verwendet. Für Wegeventile mit zwei Schaltstellungen ist eine<br />
Magnetspule ausreichend, bei drei Schaltstellungen sind zwei Magnetspulen<br />
erforderlich. Mit Federn wird <strong>da</strong>s Ventil zurückgestellt oder in der<br />
Mittelstellung zentriert.<br />
Bei Gleichstrommagneten ist die Stromaufnahme unabhängig von der<br />
Stellung des Ankers. Die Spule kann somit nicht durchbrennen, falls der<br />
Ventilschieber klemmt. Das Schalten erfolgt weich, <strong>da</strong>für ist die Schaltzeit<br />
etwas länger. Beim Abschalten muss für eine Funkenlöschung an<br />
den schaltenden Kontakten gesorgt werden. Die Gleichstrommagnete<br />
haben eine hohe Lebens<strong>da</strong>uer. Mit ihnen sind viele Schaltspiele möglich.<br />
Die Wechselstrommagnete nehmen zu Beginn des Hubes einen höheren<br />
Strom auf. Die Kraft ist <strong>da</strong>durch zu Hubbeginn größer als beim späteren<br />
halten. Daraus ergeben sich kurze Schaltzeiten, beim Klemmen<br />
des Ventilschiebers besteht aber auch die Gefahr, <strong>da</strong>ss die Spule durchbrennt.<br />
Eine Funkenlöschung wie bei den Gleichstrommagneten wird<br />
nicht benötigt.
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Die nassen Magnetspulen werden mit von der Hydraulikflüssigkeit umspült.<br />
Dies verhindert Korrosion und die entstehende Wärme wird leichter<br />
abgeführt. Durch die Reibung in der Hydraulikflüssigkeit schalten die<br />
Magnete weicher. Die Magnetspulen müssen jedoch druckdicht ausgeführt<br />
werden.<br />
Bei den trockenen Ausführungen der Magnetspulen ist eine Abdichtung<br />
des Stößels zum Betätigen des Ventilschiebers notwendig. Beim Bewegen<br />
des Stößels werden höhere Kräfte benötigt, <strong>da</strong> eine größere Reibung<br />
zu überwinden ist.<br />
In explosionsgefährdeten Bereichen sind spezielle Magnetspulen einzusetzen,<br />
die die erforderlichen Zulassungen haben.<br />
Eine Betätigung der elektrisch angesteuerten Wegeventile ist auch mit<br />
einer H<strong>and</strong>hilfsbetätigung möglich. Das Ventil kann <strong>da</strong>durch auch ohne<br />
elektrische Energie umgeschaltet werden. Beim Benutzen der H<strong>and</strong>hilfsbetätigung<br />
muss <strong>da</strong>rauf geachtet werden, <strong>da</strong>ss der Antrieb keine unerwünschten<br />
Bewegungen ausführt.<br />
Bild 57: Elektrisch betätigtes Wegeventil (Bild: BoschRexroth)<br />
107
108<br />
Minos<br />
2.8 Sperrventile<br />
Fluidtechnik<br />
Die Sperrventile verhindern den Durchfluss in einer oder in beiden Richtungen.<br />
Werden beide Richtungen abgesperrt, was beispielsweise mit<br />
Kugelabsperrventilen geschehen kann, ist die Leitung ganz geschlossen.<br />
Diese Absperrventile werden deshalb eher zu den Wegeventilen<br />
gerechnet.<br />
Für Sperrventile, die in eine Richtung absperren, werden Sitzventile verwendet.<br />
Bei dieser Bauart gelangt in der gesperrten Richtung kein Lecköl<br />
durch <strong>da</strong>s Ventil. Der Durchfluss in der ungesperrten Richtung soll <strong>da</strong>gegen<br />
möglichst ungehindert erfolgen. Diese Sperrventile werden im allgemeinen<br />
als Rückschlagventile bezeichnet.<br />
Als Dichtungskörper kommt eine Kugel, ein Kegel oder eine Platte zum<br />
Einsatz. Mit einer Feder wird der Dichtungskörper gegen seinen Sitz<br />
gedrückt. Die Federkraft ist <strong>da</strong>bei eher gering, <strong>da</strong> beim Durchströmen in<br />
der freigegebenen Richtung diese Federkraft zum Öffnen des Ventils mit<br />
überwunden werden muss. Der Druck zum Öffnen des Ventils gegen die<br />
Federkraft ist je nach Bauart unterschiedlich und liegt im Bereich von 0,5<br />
bis 5,0 bar.<br />
In der gesperrten Richtung sorgt die Feder für <strong>da</strong>s Schließen des Ventils.<br />
Die Hauptkraft wird <strong>da</strong>bei jedoch vom anliegenden Druck aufgebracht.<br />
Die Einbaulage ist <strong>da</strong>bei beliebig. Bei Sperrventilen, die keine Feder<br />
besitzen, muss der Einbau immer senkrecht erfolgen. Der Dichtungskörper<br />
liegt <strong>da</strong>nn nur durch sein Eigengewicht auf der Dichtfläche auf.<br />
Rückschlagventile werden eingesetzt um die Undichtigkeiten von Wegeventilen<br />
mit Kolbenschiebern zu vermeiden. Dadurch kann beispielsweise<br />
<strong>da</strong>s Absinken von Lasten verhindert werden. Durch <strong>da</strong>s Parallelschalten<br />
von Rückschlagventilen zu Stromventilen wird deren Wirkung auf<br />
eine Strömungsrichtung beschränkt. In der Gegenrichtung gelangt der<br />
Volumenstrom ungehindert über <strong>da</strong>s geöffnete Rückschlagventil am<br />
Stromventil vorbei.<br />
Auch beim Zusammenschalten von mehreren Pumpen in eine Leitung<br />
werden Rückschlagventile eingesetzt. Sie verhindern <strong>da</strong>bei <strong>da</strong>s Zurückströmen<br />
des Volumenstromes über eine der Pumpen. Auch <strong>da</strong>s Leerlaufen<br />
von Leitungen oder Behältern kann durch Rückschlagventile vermieden<br />
werden.<br />
Eine besondere Bauart von Rückschlagventilen wird parallel zu Filtern<br />
eingebaut. Steigt die Verschmutzung des Filters zu stark an, so baut<br />
sich ein erhöhter Druck vor dem Filter auf. Dadurch wird <strong>da</strong>s Rückschlagventil<br />
gegen die Kraft der Feder geöffnet und der Volumenstrom gelangt<br />
am Filter vorbei. Eine Filterung erfolgt <strong>da</strong>bei jedoch nicht mehr.<br />
In geschlossenen Kreisläufen sorgen Rückschlagventile <strong>da</strong>für, <strong>da</strong>ss durch<br />
Leckagen verlorengegangenes Hydrauliköl ersetzt wird.
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Die Sperrwirkung von Rückschlagventilen wird in manchen Einsatzfällen<br />
nur zeitweise benötigt. Verhindert beispielsweise ein Rückschlagventil<br />
<strong>da</strong>s ungewollte Absinken einer Last, so muss doch beim gewollten<br />
Absenken <strong>da</strong>s Rückschlagventil geöffnet sein. In diesem Fall werden<br />
entsperrbare Rückschlagventile verwendet.<br />
In hydraulischen Pressen werden entsperrbare Rückschlagventile als<br />
sogenannte Nachsaugventile verwendet, die die großen Ölmengen während<br />
des Vorhubes aus einem Vorratsbehälter in den Pressenzylinder<br />
gelangen zu lassen. Beim Rückhub wird die Hydraulikflüssigkeit wieder<br />
der Behälter zugeführt. Während des eigentlichen Pressvorganges <strong>da</strong>gegen<br />
sind die Nachsaugventile geschlossen.<br />
In vielen Fällen erfolgt <strong>da</strong>s Entsperren hydraulisch. Ein zusätzlicher<br />
Steueranschluss wird zum Entsperren mit Druck beaufschlagt. Dieser<br />
Druck wirkt auf einen Kolben, der den Ventilkörper über einen Stößel<br />
von seinem Sitz abhebt. Die Sperrwirkung wird <strong>da</strong>durch aufgehoben.<br />
Zum Entsperren eines doppeltwirkenden Zylinders wird der Steuerdruck<br />
von der jeweils <strong>and</strong>eren Zuleitung zum Zylinder abgezweigt. Für die beiden<br />
Zuleitungen der doppeltwirkenden Zylinder können die zwei<br />
entsperrbaren Rückschlagventile auch in einem Gehäuse untergebracht<br />
sein.<br />
Bild 58: Entsperrbares Rückschlagventil (Bild: BoschRexroth)<br />
B<br />
A<br />
X<br />
109
110<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
Die entsperrbaren Rückschlagventile können jedoch auch direkt in die<br />
Anschlüsse des Zylinders eingeschraubt werden. Platzt in diesem Fall<br />
ein Schlauch in der Zuleitung, so kann der Zylinder nicht weiter verfahren.<br />
So eine Rohrbruchsicherung ist beispielsweise bei Hebebühnen<br />
notwendig.<br />
Die direkt angesteuerten entsperrbaren Rückschlagventile öffnen sehr<br />
schnell und geben gleich einen sehr großen Querschnitt frei. Dadurch<br />
können Druck- oder Entspannungsschläge in der Hydraulikanlage auftreten.<br />
Um dies zu verhindern werden vorgesteuerte entsperrbare Rückschlagventile<br />
verwendet.<br />
Durch die Vorsteuerung wird zunächst nur eine Öffnung mit einem kleinen<br />
Querschnitt freigegeben. Darüber wird der Druck langsam abgesenkt.<br />
Anschließend wird <strong>da</strong>s Hauptventil mit dem großen Querschnitt<br />
geöffnet. Die Vorsteuerung ermöglicht es auch, <strong>da</strong>s entsperrbare Rückschlagventil<br />
mit einem kleineren Steuerdruck zu betätigen.<br />
Die Betätigung der entsperrbaren Rückschlagventile kann außer hydraulisch<br />
auch mechanisch oder elektrisch erfolgen. Die Funktion des<br />
Entsperrens ist <strong>da</strong>bei jedoch gleich, lediglich die Ansteuerung erfolgt auf<br />
<strong>and</strong>ere Weise.<br />
Auch Ventile für die logische Verknüpfung von Drücken werden zu den<br />
Sperrventilen gerechnet. Bei den Wechselventilen sind zwei Rückschlagventile<br />
zu einem Bauteil mit zwei Eingängen und einem Ausgang verbunden<br />
worden. Darin befindet sich nur noch ein frei beweglicher Sperrkörper.<br />
Liegt an einem Eingang ein Druck an, so wird der jeweils <strong>and</strong>ere Eingang<br />
durch den Sperrkörper verschlossen. Der Druck kann jedoch zum<br />
Ausgang gelangen. Liegen an beiden Eingängen Drücke an, so gelangt<br />
der höhere Druck zum Ausgang. Bei gleich großen Eingangsdrücken ist<br />
zwar die Position des Sperrkörpers unbestimmt, es liegt jedoch trotzdem<br />
ebenfalls der Druck am Ausgang an. Dieses Verhalten des Wechselventils<br />
wird als logische ODER-Funktion bezeichnet.
2.9 Druckventile<br />
Fluidtechnik<br />
2.9.1 Druckbegrenzungsventile<br />
Minos<br />
Die Druckventile begrenzen den Druck auf einen bestimmten Wert oder<br />
mindern den Druck auf diesen Wert ab. Sie können aber auch Teile der<br />
Hydraulikanlage in Abhängigkeit vom Druck zu- oder abschalten.<br />
Nach ihrer Funktion werden die Druckventile in zwei grundsätzliche Typen<br />
unterschieden. Die Druckbegrenzungsventile sind ohne anliegenden<br />
Druck geschlossen. Erst wenn der Druck den eingestellten Wert<br />
erreicht und überschreitet wird der Durchgang geöffnet. Dadurch wird<br />
der Druck vor dem Druckbegrenzungsventil beeinflusst.<br />
Bei den Druckminderventilen <strong>da</strong>gegen ist der Durchgang ohne anliegenden<br />
Druck geöffnet. Sie schließen erst beim Erreichen des eingestellten<br />
Druckes. Damit beeinflussen Sie den Druck nach dem Ventil.<br />
In jeder Hydraulikanlage ist mindestens ein Druckbegrenzungsventil zu<br />
finden. Als Sicherheitsventil am Hydraulikaggregat schützt es die Pumpe<br />
vor einem zu hohen Druck. Die Leitung zu diesem Ventil <strong>da</strong>rf keinesfalls<br />
absperrbar sein. Das gilt ebenso für die Leitung des Druckbegrenzungsventils<br />
zurück zum Tank.<br />
Bild 59: Direktwirkendes Druckbegrenzungventil (Bild: BoschRexroth)<br />
111
112<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
Wird bei Hydraulikaggregaten mit Konstantpumpen von den Verbrauchern<br />
kein Volumenstrom abgenommen, so muss der gesamte von der<br />
Pumpe geförderte Volumenstrom über <strong>da</strong>s Druckbegrenzungsventil zurück<br />
zum Tank gelangen können. Die von der Pumpe erzeugte Druckenergie<br />
wird <strong>da</strong>bei in Wärme umgew<strong>and</strong>elt. Das Druckbegrenzungsventil<br />
hält jedoch den Druck in der Anlage auf den eingestellten Wert.<br />
Die kleinen Druckbegrenzungsventile arbeiten direktwirkend. Es sind<br />
Bauweisen als Sitz- oder Schieberventil möglich. Bei beiden Bauarten<br />
wirkt der Druck auf eine Fläche, auf die in der entgegengesetzten Richtung<br />
die Kraft einer Feder wirkt. Das Ventil öffnet, sobald die Kraft des<br />
Druckes größer ist als die Federkraft.<br />
Durch <strong>da</strong>s Verstellen der Federkraft sind verschiedene Öffnungsdrücke<br />
einstellbar. Mit einem Dämpfungskolben oder Drosselstellen wird vermieden,<br />
<strong>da</strong>ss der Ventilkörper in Schwingungen gerät.<br />
Die Vorteile der Sitzbauart bestehen <strong>da</strong>rin, <strong>da</strong>ss sie sehr schnell eine<br />
große Querschnittsfläche freigeben und deshalb schnell ansprechen. Mit<br />
den Schieberventilen <strong>da</strong>gegen ist ein feinfühligeres Steuern möglich, <strong>da</strong><br />
durch Kerben am Schieber für den Volumenstrom zunächst ein nur geringer<br />
Querschnitt freigegeben wird.<br />
Für die direktwirkenden Druckbegrenzungsventile werden bei größeren<br />
Volumenströmen stärkere Federn erforderlich. Damit ergeben sich größere<br />
Verstellkräfte und auch größere Bauformen des Druckbegrenzungsventils.<br />
Für größere Volumenströme werden aus diesem Grund vorgesteuerte<br />
Druckbegrenzungsventile verwendet.<br />
Die vorgesteuerten Druckbegrenzungsventile sind in ein Hauptventil und<br />
ein Vorsteuerventil unterteilt. Der Ventilkörper des Hauptventils wird von<br />
einer Seite mit Druck beaufschlagt. Über eine kleine Drossel gelangt der<br />
Druck auch auf die gegenüberliegende Seite, so <strong>da</strong>ss sich die beiden<br />
Druckkräfte ausgleichen.<br />
Durch eine Feder wird <strong>da</strong>s Ventil jedoch geschlossen gehalten. Da die<br />
Druckkräfte am Ventilkörper bei geschlossenem Ventil ausgeglichen sind,<br />
braucht die Feder nur eine geringe Kraft aufzubringen.<br />
Mit einem direktgesteuerten Druckbegrenzungsventil wird der Druck auf<br />
der Federseite des Hauptventils begrenzt. Dieses Vorsteuerventil öffnet,<br />
sobald der Druck den eingestellten Wert überschreitet. Da durch die<br />
Drosselstelle im Ventilkörper des Hauptventils nur wenig Hydraulikflüssigkeit<br />
nachströmen kann, sinkt der Druck dort ab. Durch die <strong>da</strong>bei<br />
entstehende Druckdifferenz am Ventilkörper wird dieser Verschoben und<br />
<strong>da</strong>s Ventil öffnet.
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Die Hydraulikflüssigkeit, die über <strong>da</strong>s Vorsteuerventil strömt, kann mit<br />
dem Hauptrücklaufstrom des Ventils zum Tank zurückgelangen. Besteht<br />
jedoch die Möglichkeit, <strong>da</strong>ss sich in dieser Leitung ein Druck aufbaut, so<br />
wird der eingestellte Vorsteuerdruck verändert.<br />
Um dies zu vermeiden muss der Volumenstrom des Vorsteuerventils getrennt<br />
zum Tank zurückgeführt werden. Bei manchen Druckbegrenzungsventilen<br />
kann durch verschiedenes Einbauen eines Stopfens eine unterschiedliche<br />
Rückleitung zum Tank realisiert werden.<br />
Bei einer Fernsteuerung kann <strong>da</strong>s Vorsteuerventil auch räumlich getrennt<br />
vom Hauptventil angeordnet werden. Das Hauptventil wird <strong>da</strong>bei in der<br />
Nähe der Hydraulikanlage angeordnet während <strong>da</strong>s Vorsteuerventil vom<br />
Bediener gut erreichbar ist. Die Verbindung der beiden Ventile erfolgt<br />
über Rohrleitungen mit einem nur geringen Querschnitt.<br />
Wird dem Vorsteuerventil ein Wegeventil parallel geschaltet, so kann<br />
durch <strong>da</strong>s Öffnen des Wegeventils der Steuerdruck abgesenkt werden.<br />
Dadurch öffnet auch <strong>da</strong>s Hauptventil. Auf diese Weise kann beispielsweise<br />
mit einem kleinen Wegeventil ein druckloser Umlauf geschalten<br />
werden. Bei Konstantpumpen wird <strong>da</strong>durch die Hydraulikflüssigkeit ohne<br />
großen Energieaufw<strong>and</strong> zum Tank zurück gefördert, wenn gerade kein<br />
Druck benötigt wird.<br />
Bild 60: Vorgesteuertes Druckbegrenzungventil (Bild: BoschRexroth)<br />
113
114<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
Durch <strong>da</strong>s parallele Anordnen von mehreren Vorsteuerventilen mit jeweils<br />
<strong>and</strong>eren Vorsteuerdrücken kann mit dem Hauptventil ein entsprechend<br />
unterschiedlicher Druck eingestellt werden. Auch hier werden die<br />
Vorsteuerventile mit kleinen Wegeventilen zu- oder abgeschaltet.<br />
Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, mit nur einem Vorsteuerventil<br />
mehrere Hauptventile gleichzeitig anzusteuern. Allerdings geraten<br />
die Hauptventile durch die gegenseitige Beeinflussung leicht ins Schwingen.<br />
Die Druckbegrenzungsventile können neben dem Begrenzen des Drukkes<br />
auch <strong>and</strong>ere Aufgaben übernehmen. Obwohl der Aufbau dieser Ventile<br />
sich kaum von den Druckbegrenzungsventilen unterscheidet, so<br />
werden sie doch mit <strong>and</strong>eren Bezeichnungen versehen.<br />
Als Gegenhalteventil oder Bremsventil wird ein Druckventil bezeichnet,<br />
<strong>da</strong>s <strong>da</strong>s von einem Zylinder zurückströmende Hydrauliköl unter Druck<br />
hält. Da die abfließende Hydraulikflüssigkeit erst einen gewissen Druck<br />
aufbauen muss, bevor sie aus dem Zylinder gelangen kann, liegt auf<br />
beiden Seiten des Kolbens ein Druck an. Dies wird als hydraulisch eingespannt<br />
bezeichnet.<br />
Besonders bei ziehenden Lasten an der Kolbenstange wird <strong>da</strong>s hydraulische<br />
Einspannen des Kolbens angewendet. Eine unkontrollierte Bewegung<br />
des Zylinders wird <strong>da</strong>durch vermieden. Parallel zum Gegenhalteventil<br />
muss jedoch ein Rückschlagventil angeordnet sein, <strong>da</strong>mit die<br />
Hydraulikflüssigkeit in der entgegengesetzten Richtung nicht durch <strong>da</strong>s<br />
Druckventil strömen muss.<br />
Teilweise sind die Gegenhalteventile auch abschaltbar. Sie werden nur<br />
<strong>da</strong>nn eingeschaltet, wenn ihre Funktion benötigt wird. Ein Leistungsverlust<br />
durch <strong>da</strong>s Überwinden des Gegendruckes wird in diesem Fall auf die<br />
erforderlichen Situationen beschränkt.<br />
Druckventile werden als Folgeventil oder Druckzuschaltventile bezeichnet,<br />
wenn sie erst bei Erreichen eines bestimmten Druckes den Druck<br />
zu einem weiteren Bauteil gelangen lassen. Auf diese Weise kann beispielsweise<br />
ein Vorschubzylinder erst <strong>da</strong>nn ausfahren, wenn sich in einem<br />
Spannzylinder ein ausreichend großer Druck aufgebaut hat und<br />
somit auch eine ausreichende Spannkraft erreicht wurde.<br />
Auch zu den Folgeventilen wird ein Rückschlagventil parallel geschaltet,<br />
<strong>da</strong>mit ein Durchströmen in der Gegenrichtung vermieden wird.<br />
Das Zuschalten eines Folgeventils kann auch über einen gesonderten<br />
Steueranschluss erfolgen. Diese fremdgesteuerten Folgeventile ähneln<br />
in ihrer Funktion den 2/2-Wegeventilen, im Gegensatz zu diesen ist der<br />
Steuerdruck zum Umschalten jedoch bei den Folgeventilen einstellbar.<br />
Als eigengesteuert werden Folgeventile bezeichnet, wenn der Steuerdruck<br />
der Zuleitung zum Folgeventil entnommen wird.
2.9.2 Druckminderventile<br />
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Ein Druckabschaltventil ähnelt den fremdgesteuerten Druckzuschaltventilen.<br />
Ein Einsatz erfolgt beispielsweise in Pressen. Dort können zwei<br />
unterschiedliche Pumpen gemeinsam einen Volumenstrom zum Bewegen<br />
des Pressenzylinders erzeugen.<br />
Die eine Pumpe fördert <strong>da</strong>bei einen hohen Volumenstrom bei einem<br />
geringen Druck, während die <strong>and</strong>ere Pumpe einen hohen Druck bei einem<br />
nur geringen Volumenstrom erzeugen kann. Für den schnellen Vorschub<br />
fördern zunächst beide Pumpen. Beim Erreichen eines Widerst<strong>and</strong>es<br />
erhöht sich der Druck in der Zuleitung zum Zylinder. Das Druckzuschaltventil<br />
schaltet <strong>da</strong>durch den Volumenstrom der Pumpe mit dem<br />
großen Volumenstrom in einen drucklosen Umlauf. Der Volumenstrom<br />
zum Pressen wird <strong>da</strong>nn nur noch von der Hochdruckpumpe mit dem<br />
kleinen Volumenstrom gefördert.<br />
Eine ähnliche Schaltung kann beim Befüllen von Hydrospeichern verwendet<br />
werden. Ist der gewünschte Fülldruck des Speichers erreicht, so<br />
schaltet <strong>da</strong>s Druckabschaltventil die Pumpe in den drucklosen Umlauf.<br />
Ein Entweichen der Hydraulikflüssigkeit aus dem Speicher wird durch<br />
ein Rückschlagventil verhindert.<br />
Die Druckminderventile werden auch als Druckreduzierventile bezeichnet,<br />
<strong>da</strong> sie einen Teil der Anlage mit einem geringeren Druck versorgen<br />
können. Dadurch ist es möglich, auf eine weitere Pumpe für den geringeren<br />
Druck zu verzichten.<br />
Auch bei den Druckminderventilen sind die kleinen Ausführungen direktgesteuert<br />
und die Ventile für größere Volumenströme vorgesteuert. Sie<br />
werden vom Konstruktionsprinzip her als Schieberventile aufgebaut. Für<br />
<strong>da</strong>s auftretende Lecköl ist eine eigene Ableitung erforderlich. Eine Zuführung<br />
des Lecköls zu dem Hauptvolumenstrom ist nicht möglich, <strong>da</strong><br />
diese sowohl vor als auch nach dem Ventil unter Druck stehen.<br />
Druckminderventile benötigen für ihre Funktion einen Druck vor dem<br />
Ventil, der höher sein muss als der eingestellte Druck. Der Ausgangsdruck<br />
kann also niemals höher sein als der Druck, der am Druckminderventil<br />
anliegt. Ist der Eingangsdruck kleiner als der eingestellt Druck, so<br />
wird nur der Eingangsdruck in voller Höhe zum Ausgang durchgeleitet.<br />
Die direktgesteuerten Druckminderventile enthalten einen Ventilschieber,<br />
auf dessen eine Seite der Ausgangsdruck wirkt. In die entgegengesetzte<br />
Richtung wirkt die einstellbare Kraft einer Feder. Bei einem niedrigen<br />
Ausgangsdruck hält die Feder <strong>da</strong>s Ventil offen. Erst wenn der Druck nach<br />
dem Ventil ansteigt, wird die Feder zusammengedrückt und der Durchgang<br />
verschlossen.<br />
115
116<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
Bei den vorgesteuerten Druckminderventilen gelangt über eine Drosselstelle<br />
der Ausgangsdruck auch auf die zweite Seite des Ventilschiebers.<br />
Da sich die beiden Druckkräfte ausgleichen wird nur eine kleine mechanische<br />
Feder benötigt, um <strong>da</strong>s Ventil im drucklosen Zust<strong>and</strong> geöffnet zu<br />
halten.<br />
Als Vorsteuerventil wird ein kleines Druckbegrenzungsventil verwendet.<br />
Dieses begrenzt den Druck in dem Raum mit der Feder. Wird der eingestellte<br />
Druck überschritten, so öffnet <strong>da</strong>s Druckbegrenzungsventil. Da<br />
der Ausgangsdruck weiterhin am Ventilschieber anliegt, wird des Hauptventil<br />
geschlossen und der Druck nach dem Druckminderventil kann nicht<br />
weiter ansteigen.<br />
Grundsätzlich werden Druckminderventile in 2-Wege- und 3-Wege-Bauarten<br />
unterschieden. Bei 2-Wege-Bauarten wird zunächst der Druck am<br />
Ausgang des Ventils verringert. Steigt dieser Druck durch äußere Einwirkungen<br />
jedoch weiter an, so kann dieser Druck nicht abgebaut werden.<br />
Bei der 3-Wege-Bauart ist ein weiterer Anschluss zum Tank vorh<strong>and</strong>en,<br />
über den ein zu hoher Ausgangsdruck abgebaut werden kann. Damit<br />
wirkt <strong>da</strong>s Druckminderventil für den Druck am Ausgang wie ein zusätzliches<br />
Druckbegrenzungsventil.<br />
Bild 61: Vorgesteuertes 2-Wege-Druckminderventil (Bild: BoschRexroth)
2.10 Stromventile<br />
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Die Stromventile beeinflussen den Volumenstrom. Damit kann die Geschwindigkeit<br />
von Zylindern oder hydraulischen Motoren verändert werden.<br />
Vorteilhaft in der Hydraulik ist die stufenlose Veränderbarkeit des<br />
Volumenstroms und <strong>da</strong>mit der Geschwindigkeit.<br />
Ein Nachteil ist <strong>da</strong>gegen, <strong>da</strong>ss durch die Reduzierung des Volumenstromes<br />
ein Teil der Druckenergie in Wärme umgew<strong>and</strong>elt wird. Eine<br />
Erhöhung der Temperatur der Hydraulikflüssigkeit ist <strong>da</strong>durch die Folge.<br />
Stromventile haben einen sehr einfachen Aufbau. Obwohl beim Reduzieren<br />
des Volumenstromes Energieverluste auftreten, werden sie häufig<br />
eingesetzt. Der Volumenstrom kann aber auch durch die Verwendung<br />
von verstellbaren Pumpen beeinflusst werden.<br />
Pumpen mit konstantem Fördervolumen erzeugen einen bestimmten<br />
Volumenstrom. Wird dieser vom Verbraucher wegen der verringerten<br />
Geschwindigkeit nicht abgenommen, so erfolgt durch <strong>da</strong>s Stromventil<br />
eine Aufteilung des Volumenstromes. Der nicht benötigte Teil des<br />
Volumenstromes fließt entweder gleich über <strong>da</strong>s Druckbegrenzungsventil<br />
des Hydraulikaggregates zurück zum Tank oder er wird vom Stromventil<br />
dorthin umgeleitet.<br />
Die wichtigsten Stromventile sind die Drosselventile und die Stromregelventile.<br />
Die Drosselventile haben einen einfachen Aufbau, der eingestellte<br />
Volumenstrom ändert sich jedoch bei unterschiedlichen Drücken<br />
vor und nach der Drossel. Die Stromregelventile <strong>da</strong>gegen gleichen verschiedene<br />
Differenzdrücke über dem Ventil aus und halten den Volumenstrom<br />
konstant.<br />
Auch Stromregelventile enthalten eine Drossel. Bei einer Änderung der<br />
Temperatur der Hydraulkflüssigkeit ändert sich die Zähigkeit <strong>da</strong>s <strong>da</strong>mit<br />
Verhalten dieser Drossel. Der konstruktive Aufbau sollte deshalb so gewählt<br />
sein, <strong>da</strong>ss ein Einfluss unterschiedlicher Zähigkeiten möglichst gering<br />
ist.<br />
Weiterhin werden die Stromteiler zu den Stromventilen gerechnet. Sie<br />
teilen den Volumenstrom in meistens zwei gleich große Teilströme auf.<br />
Dadurch können beispielsweise zwei Zylinder unabhängig von ihrer Last<br />
synchronisiert ausfahren.<br />
117
118<br />
Minos<br />
2.10.1 Drosselventile<br />
Fluidtechnik<br />
In Drosselventilen strömt der Volumenstrom durch eine verengte Stelle.<br />
Die Menge des Volumenstromes hängt <strong>da</strong>bei von den Drücken vor und<br />
nach der Drossel ab, sowie von dem Querschnitt der Drosselstelle und<br />
von der Zähigkeit des fließenden Mediums. Der Volumenstrom ist <strong>da</strong>bei<br />
um so höher, je größer die Druckdifferenz über der Drosselstelle ist und<br />
je niedriger die Zähigkeit des Mediums.<br />
Lässt sich der Querschnitt der Drosselstelle nicht verändern, so werden<br />
diese Drosseln als Konstantdrossel bezeichnet. In verschiedenen<br />
Hydraulikkomponenten werden solche festen Drosselstellen verwendet.<br />
Je nach Konstruktionsart sind die Drosselstellen eher länger und<br />
rohrförmig oder kurz wie bei einer Blende.<br />
Um die Drosselung von Änderungen der Zähigkeit weitgehend unabhängig<br />
zu machen, haben die Drosselstellen einen kreisförmigen Querschnitt.<br />
Bei dieser Form ist der Flächeninhalt im Verhältnis zum Umfang<br />
am größten.<br />
Je länger die Drosselstelle ist, desto größer ist Abhängigkeit von der<br />
Zähigkeit des Mediums. Aus diesem Grund werden häufig Blenden eingesetzt.<br />
Grundsätzlich ist <strong>da</strong>rauf zu achten, <strong>da</strong>ss die Drosselquerschnitte<br />
nicht durch Schmutz verstopft werden.<br />
A<br />
Bild 62: Drosselrückschlagventil (Bild: BoschRexroth)<br />
B
2.10.2 Stromregelventile<br />
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
In verstellbaren Drosselventilen werden Nadeldrosseln verwendet. Die<br />
kegelförmige Nadel verschließt <strong>da</strong>bei teilweise die kreisförmige Öffnung,<br />
so <strong>da</strong>ss nur eine ringförmige Fläche frei bleibt. Zwar wird <strong>da</strong>bei der kreisförmige<br />
Querschnitt beibehalten, bei kleiner Öffnung wird jedoch ein feinfühliges<br />
Verstellen der Drossel schwierig. Zusätzlich verstopft der kleine<br />
Spalt schnell bei einer Verschmutzung.<br />
Bei der Verwendung eines dreieckigen Drosselquerschnittes kann der<br />
Querschnitt der Drossel besonders langsam verändert werden. Dazu wird<br />
ein Steuerkolben verschoben, in dem sich eine Kerbe befindet. Die Gefahr<br />
der Verschmutzung ist wesentlich geringer. Solche Drosseln werden<br />
auch als Feindrosseln bezeichnet. Neben dreieckigen Querschnitten<br />
sind auch rechteckige Formen möglich.<br />
Die Drossel reduzieren den Volumenstrom in beiden Durchströmrichtungen.<br />
Durch die Parallelschaltung eines Rückschlagventils<br />
kann die Drosselung auf eine Richtung reduziert werden. Diese Kombination<br />
wird als Drosselrückschlagventil bezeichnet.<br />
Das Umschalten eines Zylinders vom Eilvorschub in den Arbeitsgang<br />
kann auch durch Drossel erfolgen. Sie werden in diesem Fall mechanisch<br />
durch eine Tastrolle betätigt und eingeschaltet. Der Übergang auf<br />
die langsamere Geschwindigkeit erfolgt <strong>da</strong>bei nicht so schlagartig wie<br />
beim Einsatz von Wegeventilen.<br />
Fährt ein Zylinder gedrosselt aus und während des Hubes ändert sich<br />
die Kraft, die der Zylinder aufbringen muss, so steigt auch der Druck vor<br />
dem Zylinder an. Dadurch verringert sich der Differenzdruck an der Drossel<br />
und der Durchfluss nimmt ab. Sind solche Geschwindigkeitsänderungen<br />
bei wechselnder Belastung nicht erwünscht, so können die<br />
Drosseln nicht eingesetzt werden.<br />
Die Stromregelventile vermeiden <strong>da</strong>s Ändern des Volumenstromes bei<br />
wechselnder Last am Antrieb. Sie können nur in eine Richtung durchströmt<br />
werden und sind deshalb immer mit einem Rückschlagventil parallel<br />
geschaltet. Soll <strong>da</strong>s Stromregelventil beide Richtungen eines<br />
Volumenstromes beeinflussen, so muss eine Gleichrichterschaltung aus<br />
vier Rückschlagventilen aufgebaut werden.<br />
Auch in den Stromregelventilen ist eine einstellbare Drossel vorh<strong>and</strong>en.<br />
Sie wird als Messdrossel bezeichnet. Zusätzlich befindet sich im Stromregelventil<br />
eine bewegliche Regeldrossel, die Druckwaage. Bei den<br />
2-Wege-Stromregelventilen sind die Mess- und die Regeldrossel hinterein<strong>and</strong>er<br />
angeordnet. Bei der 3-Wege-Bauart befinden sich die beiden<br />
Drosseln parallel zuein<strong>and</strong>er.<br />
119
120<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
Die Reihenfolge der Anordnung von Messdrossel und Regeldrossel hat<br />
beim 2-Wege-Stromregelventil keine Bedeutung. Solange kein Volumenstrom<br />
durch <strong>da</strong>s Druckregelventil strömt, ist die Regeldrossel voll geöffnet.<br />
Wird <strong>da</strong>s Stromregelventil durchströmt, so stellt sich an der Messdrossel<br />
ein Differenzdruck ein. Die Drücke vor und nach der Messdrossel werden<br />
über kleine Kanäle auf die beiden Stirnflächen der Regeldrossel gegeben.<br />
Da die Flächen an der Regeldrossel gleich groß sind und der Druck nach<br />
der Messdrossel etwas kleiner ist als <strong>da</strong>vor, wird die fehlende Kraft für<br />
ein Gleichgewicht an der Regeldrossel durch eine Feder ergänzt. Der<br />
Druckabfall an der Messdrossel liegt bei etwa 6 bis 8 bar. Je nach Betriebsbedingungen<br />
wird an der Regeldrossel ebenfalls der Druck teilweise<br />
abgebaut.<br />
Muss der Antrieb eine größere Kraft aufbringen, so erhöht sich auch der<br />
Druck nach der Messdrossel. Dieser wirkt auch auf die Stirnseite der<br />
Regeldrossel und deren Querschnittsöffnung wird <strong>da</strong>durch vergrößert.<br />
Da die Regeldrossel den Volumenstrom nun weniger drosselt, ist der<br />
Druck vor der Messdrossel auch erhöht und der Differenzdruck stellt sich<br />
wieder auf den Wert vor der Veränderung ein.<br />
Durch den gleichbleibenden Differenzdruck über die Messdrossel bleibt<br />
der Volumenstrom auch bei geänderten Betriebsbedingungen gleich. Eine<br />
Ausnahme besteht beim Einschalten des Volumenstroms. Die Regeldrossel<br />
ist zunächst geöffnet. Es <strong>da</strong>uert nun eine kurze Zeit, bis sie ihre<br />
Arbeitsposition erreicht hat. Dadurch kommt es zu einem Anfahrsprung<br />
bei dem angesteuerten Zylinder. Durch mechanische Anschläge an der<br />
Regeldrossel kann ein vollständiges Öffnen und <strong>da</strong>mit der Anfahrsprung<br />
verhindert werden.<br />
Beim 3-Wege-Stromregelventil wird ebenfalls der Differenzdruck an der<br />
Messdrossel auf die Stirnseiten der Regeldrossel gegeben. Der überschüssige<br />
Volumenstrom wird jedoch über einen zusätzlichen Anschluss<br />
zum Tank zurück geführt.<br />
Da im 3-Wege-Stromregelventil eine Stromteilung erfolgt, braucht nicht<br />
wie sonst üblich der nicht benötigte Volumenstrom über <strong>da</strong>s Druckbegrenzungsventil<br />
zum Tank zurück geführt werden. Die Pumpe muss<br />
nur den gerade vom Antrieb und vom Druckregelventil benötigten Druck<br />
erzeugen. Dadurch kommt es auch zu einer geringeren Erwärmung der<br />
Hydraulikflüssigkeit.<br />
Die 3-Wege-Stromregelventile können jedoch nur in den Zulauf zum<br />
Verbraucher eingebaut werden. Das parallele Anordnen mehrere 3-Wege-<br />
Stromregelventile ist nicht möglich.
2.10.3 Stromteiler<br />
Fluidtechnik<br />
Bild 63: 2-Wege-Stromregelventil (Bild: BoschRexroth)<br />
Minos<br />
Mit Stromteilern wird der Volumenstrom in meist zwei gleich große Teilströme<br />
aufgeteilt. Damit wird ein Gleichlauf mehrere Verbraucher erreicht,<br />
auch wenn an diesen unterschiedliche Belastungen auftreten.<br />
Ein Regelkolben nimmt im Stromteiler normalerweise die Mittelstellung<br />
ein. Die Ausgangsdrücke wirken <strong>da</strong>bei auf die beiden Stirnseiten des<br />
Regelkolbens. Beim Ansteigen eines der Ausgangsdrücke wird der Regelkolben<br />
verschoben. Dabei wird die Öffnung zum Ausgang mit dem höheren<br />
Druck erweitert und die Öffnung zum <strong>and</strong>eren Ausgang verkleinert.<br />
Dadurch gleichen sich die Volumenströme wieder aus.<br />
Eine Volumenstromteilung ist auch mit zwei Hydraulikmotoren möglich.<br />
Diese müssen <strong>da</strong>s gleiche Schluckvolumen aufweisen und mit den Wellen<br />
mechanisch gekoppelt sein. Beim Beaufschlagen der Hydraulikmotoren<br />
wird der Volumenstrom <strong>da</strong>durch in zwei gleich große Teilströme<br />
aufgespalten.<br />
Eine Volumenstromteilung kann aber auch mit mehreren 2-Wege-Stromregelventilen<br />
erfolgen.<br />
p<br />
1<br />
p 3<br />
p 2<br />
121
122<br />
Minos<br />
2.11 Hydrospeicher<br />
Fluidtechnik<br />
2.11.1 Aufgaben der Hydrospeicher<br />
Im Gegensatz zu Gasen können Flüssigkeiten kaum zusammengedrückt<br />
werden. Wird eine Flüssigkeit unter Druck in einen Behälter gefüllt, so<br />
kann deshalb <strong>da</strong>mit kaum Energie gespeichert werden. Aus diesem Grund<br />
muss zusätzlich eine Kraft auf die Flüssigkeit wirken, <strong>da</strong>mit diese auch<br />
unter Druck wieder aus dem Behälter entnommen werden kann.<br />
Häufig wird mit einem Gas ein Druck auf die Hydraulikflüsssigkeit ausgeübt.<br />
Damit <strong>da</strong>s Gas nicht in die Flüssigkeit gelangt, ist eine Trennung<br />
der beiden Medien erforderlich. Dies kann entweder durch eine elastische<br />
Membran oder eine Blase erfolgen oder mittels eines Kolbens.<br />
Eine <strong>and</strong>ere Möglichkeit besteht <strong>da</strong>rin, durch Federkraft oder durch die<br />
Gewichtskraft eines Körpers eine Kraft auf die Flüssigkeit zu erzeugen.<br />
Auch hier wird die Hydraulikflüssigkeit durch einen frei beweglichen Kolben<br />
von der Umgebung abgetrennt. Dieser Kolben ohne Kolbenstange<br />
bewegt sich in einem zylinderförmigen Behälter.<br />
Die Gegenkraft wird durch ein entsprechend großes Gewicht aufgebracht.<br />
Der Einbau dieser Speicher kann <strong>da</strong>nn natürlich nur in senkrechter Lage<br />
erfolgen. Dies ist nicht so, wenn die Gegenkraft durch eine mechanische<br />
Feder aufgebracht wird. Trotzdem wird dieser Speichertyp nur selten<br />
und nur bei speziellen Anwendungen verwendet.<br />
Die Pumpen einer Hydraulikanlage fördern einen bestimmten Volumenstrom,<br />
für den sie ausgelegt sind. Wird jedoch in der Anlage nur kurzzeitig<br />
ein hoher Volumenstrom gefordert, so muss die Pumpe diesen<br />
Volumenstrom erzeugen können, auch wenn die restliche Zeit dieser<br />
Volumenstrom gar nicht benötigt wird.<br />
Damit die Pumpe kleiner gehalten werden kann, wird während der Zeit<br />
des geringeren Volumenstrombe<strong>da</strong>rfs ein Speicher gefüllt. Wird kurzfristig<br />
ein großer Volumenstrom benötigt, so wird der zusätzliche Be<strong>da</strong>rf<br />
aus dem Speicher gedeckt. Die kleinere Pumpe hat insgesamt einen<br />
geringeren Energiebe<strong>da</strong>rf. Dadurch ist auch die Erwärmung der Hydraulikflüssigkeit<br />
geringer.<br />
Eine weitere Möglichkeit, den Hydrospeicher zu befüllen, besteht <strong>da</strong>rin,<br />
einen bremsenden Hydraulikmotor als Energielieferant zu benutzen.<br />
Hydrospeicher werden auch <strong>da</strong>zu benutzt, den Druck in der Anlage oder<br />
in Teilen <strong>da</strong>von über einen längeren Zeitraum aufrecht zu erhalten. Beim<br />
Spannen eines Teiles muss in diesem Fall nicht durch die Pumpe die<br />
ganze Zeit der Druck erzeugt werden. Möglicherweise auftretenden Undichtigkeiten<br />
können durch den Vorrat an Hydraulikflüssigkeit im Speicher<br />
ersetzt werden.
2.11.2 Kolbenspeicher<br />
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Hydrospeicher werden ebenfalls <strong>da</strong>zu benutzt, Reservedruckflüssigkeit<br />
bereitzustellen. Im Notfall, beispielsweise nach einem Ausfall der Energieversorgung,<br />
bleibt die Hydraulikanlage <strong>da</strong>durch noch eine gewisse<br />
Zeit funktionstüchtig. Auch wenn die Pumpe keinen Förderstrom mehr<br />
liefert, können somit von Zylindern Bewegungen durchgeführt werden.<br />
Manche Pumpen erzeugen beim Fördern Pulsationen im Volumenstrom.<br />
Auch beim schnellen Schalten von Ventilen wird die Flüssigkeit schlagartig<br />
abgebremst oder beschleunigt. Die <strong>da</strong>bei entstehenden Druckstöße<br />
können wie auch Pulsationen von den Druckspeichern aufgenommen<br />
und abgeschwächt werden.<br />
Hydrospeicher können auch als hydraulische Feder eingesetzt werden.<br />
Seile oder Ketten können auf diese Weise straff gehalten werden. Die<br />
bei Temperaturschwankungen in geschlossenen Systemen auftretenden<br />
Änderungen des Volumens der Hydraulikflüssigkeit können von den<br />
Hydrospeichern ausgeglichen werden.<br />
Bei den Kolbenspeichern bewegt sich ein Kolben ohne Kolbenstange in<br />
einem Zylinderrohr. Dieser Kolben trennt die Hydraulikflüssigkeit von dem<br />
Gas, <strong>da</strong>s sich auf der <strong>and</strong>eren Seite des Kolbens befindet.<br />
Der zylinderförmige Speicher hat jeweils einen Anschluss an den beiden<br />
gegenüberliegenden Stirnseiten. Über einen Anschluss gelangt die<br />
Hydraulikflüssigkeit in den Speicher und auch wieder hinaus. Der zweite<br />
Anschluss befindet sich auf der Gasseite und dient dem Nachfüllen. Es<br />
ist auch möglich, einen zusätzlichen Gasbehälter anzuschließen. Als Gas<br />
wird <strong>da</strong>bei nur Stickstoff benutzt.<br />
Obwohl die Einbaulage von Kolbenspeichern beliebig ist, so wird doch<br />
die senkrechte Anordnung bevorzugt. Der Anschluss für die Hydraulikflüssigkeit<br />
befindet sich in diesem Fall unten. Dadurch kann sich kein<br />
Schmutz auf dem Kolben absetzen, der einen Verschleiß der Dichtungen<br />
zur Folge hätte.<br />
Beim Befüllen des Speichers wird der frei bewegliche Kolben verschoben<br />
und <strong>da</strong>s Gas zusammengedrückt. Umgekehrt drückt <strong>da</strong>s Gas die<br />
Hydraulikflüssigkeit wieder aus dem Speicher heraus, wenn sie dem<br />
Kreislauf wieder zugeführt werden soll.<br />
Beim Verschieben des Kolbens muss neben der Reibung auch die Trägheit<br />
des Kolbens überwunden werden. Deshalb kann es bei kleinen<br />
Volumenströmen zu einem Ruck-Gleiten des Kolbens kommen. Dies soll<br />
durch eine besonders feine Bearbeitung der Zylinderinnenfläche weitgehend<br />
vermieden werden.<br />
123
124<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
2.11.3 Blasen- und Membranspeicher<br />
Die Kolbenspeicher sind für hohe Drücke und große Volumen geeignet.<br />
Bei manchen Bauarten wird über eine Kolbenstange die Position des<br />
Kolbens und <strong>da</strong>mit der Füllst<strong>and</strong> des Speichers nach außen übertragen.<br />
Damit ist auch <strong>da</strong>s entsprechende Schalten von Pumpen steuerbar.<br />
Wegen der genauen Bearbeitung der Innenfläche des Speichers sind<br />
Kolbenspeicher teurer als <strong>and</strong>ere Hydrospeicher.<br />
Die Blasenspeicher bestehen ebenfalls einem zylinderförmigen Behälter.<br />
Die Stirnseiten sind abgerundet. Im Inneren des Behälters befindet<br />
sich eine mit Stickstoff gefüllte elastische Blase. Diese Blase liegt an der<br />
Innenw<strong>and</strong> des Speichers an, solange sich keine Flüssigkeit im Speicher<br />
befindet.<br />
Wird in den Behälter Hydraulikflüssigkeit gefüllt, so wird die Blase und<br />
<strong>da</strong>s <strong>da</strong>rin befindliche Gas zusammengedrückt. Da sich <strong>da</strong>bei <strong>da</strong>s Volumen<br />
der Blase verringert, kann die Flüssigkeit anstelle der Blase <strong>da</strong>s<br />
Innere des Behälters ausfüllen. Entsprechend dehnt sich die Blase wieder<br />
aus, wenn Flüssigkeit aus dem Speicher entnommen wird.<br />
Bild 64: Blasenspeicher (Bild: BoschRexroth)
Fluidtechnik<br />
Minos<br />
Der Anschluss für die Hydraulikflüssigkeit wird durch eine spezielle Vorrichtung<br />
geschützt. Damit wird verhindert, <strong>da</strong>ss sich die Blase mit in den<br />
Anschluss hinein ausdehnt. Die Blase selbst hat ebenfalls einen Anschluss.<br />
Über diesen wird der Stickstoff in die Blase gefüllt.<br />
Die Reibung beim Ändern des Volumens der Blase ist sehr gering. Auch<br />
die Masse der Blase ist klein, so <strong>da</strong>ss <strong>da</strong>s Befüllen und Entleeren des<br />
Speichers fast trägheitsfrei erfolgen kann. Die Blasenspeicher werden<br />
vorallem senkrecht eingebaut. Der Druckanschluss befindet sich unten.<br />
Das speicherbare Volumen befindet sich im mittleren Bereich.<br />
Die Membranspeicher ähneln den Blasenspeichern, jedoch erfolgt die<br />
Trennung der Flüssigkeit vom Stickstoff durch eine Membran, die den<br />
Behälter in zwei Bereiche teilt. Die Form der Membranspeicher ist kugelförmig<br />
bis leicht zylindrisch. Die Membran befindet sich etwa in der Mitte<br />
des Behälters und ist dort mit der W<strong>and</strong>ung verbunden.<br />
Je nach Füllung des Speichers dehnt sich die Membran nach der einen<br />
oder <strong>and</strong>eren Seite aus. Die Einbaulage der Speicher ist beliebig. Die<br />
Membranspeicher werden jedoch vorallem für kleinere Speichervolumen<br />
eingesetzt.<br />
2.11.4 Befüllen von gasbeaufschlagten Hydrospeichern<br />
Die Füllung der gasbeaufschlagten Hydrospeicher erfolgt immer mit Stickstoff.<br />
Werden <strong>and</strong>ere Gase wie Luft oder gar Sauerstoff verwendet, so<br />
besteht Explosionsgefahr!<br />
Im normalen Betrieb des Hydrospeichers wird die Menge des Gases<br />
nicht verändert. Die Verluste an Stickstoff durch Undichtigkeiten sind nur<br />
gering. Vor der Inbetriebnahme und nach jeder Reparatur muss jedoch<br />
der Druck des Gases überprüft werden. Bei der Lieferung können die<br />
Hydrospeicher mit einem nur geringen Gasdruck beaufschlagt sein.<br />
Als Vorspanndruck wird der Gasdruck bei leerem Speicher bezeichnet.<br />
Um den Speicher zu befüllen, muss die Hydraulikflüssigkeit mindestens<br />
diesen Druck aufweisen.<br />
Der Vorspanndruck kann ermittelt werden, indem der Behälter gefüllt<br />
wird und <strong>da</strong>nach dieses Volumen langsam abgelassen wird. Der Druck<br />
in der Hydraulikflüssigkeit sinkt <strong>da</strong>bei langsam ab, bis er plötzlich schlagartig<br />
abfällt. In diesem Moment wird durch die Blase oder die Membran<br />
die Auslassöffnung verschlossen und es kann keine weitere Flüssigkeit<br />
aus dem Speicher strömen. Der Druck kurz vor dem schlagartigen Abfallen<br />
entspricht dem Vorspanndruck.<br />
Der minimale Betriebsdruck des Speichers sollte einem Druck entsprechen,<br />
bei dem sich noch etwa 10 % der Hydraulikflüssigkeit im Behälter<br />
befinden. Damit wird vermieden, <strong>da</strong>ss <strong>da</strong>s Verschlussventil von der Blase<br />
oder der Membran betätigt wird.<br />
125
126<br />
Minos<br />
Fluidtechnik<br />
Beim Befüllen des Speicher steigt durch <strong>da</strong>s Zusammendrücken des<br />
Gases auch dessen Druck an. Somit steigt auch der Druck an, mit dem<br />
der Speicher befüllt werden muss. Es ergibt sich somit ein maximaler<br />
Betriebsdruck, der von der Pumpe aufgebracht werden muss.<br />
Aus dem Unterschied des Füllungsgrades des Speichers beim minimalen<br />
und beim maximalen Betriebsdruck ergibt sich die nutzbare Volumenmenge<br />
an Hydraulikflüssigkeit. Sind die Unterschiede zwischen dem<br />
minimalen und dem maximalen Betriebsdruck nur gering, so kann <strong>da</strong>s<br />
Gasvolumen durch einen zusätzlichen Behälter vergrößert werden. Damit<br />
ist eine geringere Druckerhöhung beim Befüllen des Speichers verbunden<br />
und der Behälter kann zu einem höheren Grad befüllt werden.<br />
Änderungen beim nutzbaren Flüssigkeitsvolumen können sich ergeben,<br />
wenn der Behälter sehr schnell gefüllt oder entleert wird. In diesem Fall<br />
ändert sich neben dem Druck des Gases auch dessen Temperatur. Dies<br />
ist beim Auslegen des Speichers zu beachten.<br />
Die Hydrospeicher mit Gasfüllung gelten als Druckbehälter. Es muss deshalb<br />
immer ein Manometer vorh<strong>and</strong>en sein um den Betriebsdruck anzuzeigen.<br />
Zusätzlich ist ein Sicherheits- oder Überdruckventil vorzusehen.<br />
Die Leitung zu diesem Ventil <strong>da</strong>rf nicht absperrbar sein.<br />
In Deutschl<strong>and</strong> gilt für Druckbehälter die Druckbehälterverordnung. Dementsprechend<br />
ist der Speicher regelmäßig zu überprüfen. Es sollte deshalb<br />
an einer gut zugänglichen Stelle angeordnet und sicher befestigt<br />
sein.
<strong>Mechatronik</strong><br />
<strong>Modul</strong> 4: Elektrische Antriebe und<br />
Steuerungen<br />
Schülerh<strong>and</strong>buch<br />
(Konzept)<br />
Matthias Römer<br />
Technische Universität Chemnitz<br />
Institut für Werkzeugmaschinen und<br />
Produktionsprozesse<br />
EU-Projekt Nr. 2005-146319 „MINOS“, Laufzeit von 2005 bis 2007<br />
Europäisches Konzept für die Zusatzqualifikation <strong>Mechatronik</strong> für<br />
Fachkräfte in der globalisierten industriellen Produktion.<br />
Das Projekt wurde gefördert von der<br />
Europäischen Union im Rahmen des<br />
Aktionsprogramms der Europäischen Union<br />
für die berufliche Bildung „<strong>Leonardo</strong> <strong>da</strong><br />
<strong>Vinci</strong>“.<br />
www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch
Projektpartner bei der Erarbeitung und Erprobung<br />
des Teachwarekonzepts<br />
• Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und<br />
Produktionsprozesse, Deutschl<strong>and</strong> – Projektleitung<br />
• Corvinus Universität Bu<strong>da</strong>pest, Institut für Informationstechnologien, Ungarn<br />
• Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Schweden<br />
• Technische Universität Wroclaw, Institut für Produktionstechnik und<br />
Automatisierung, Polen<br />
• Henschke Consulting Dresden, Deutschl<strong>and</strong><br />
• Christian Stöhr Unternehmensberatung, Deutschl<strong>and</strong><br />
• Neugebauer und Partner OHG Dresden , Deutschl<strong>and</strong><br />
• Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen<br />
• Euroregionale Industrie- und H<strong>and</strong>elskammer Jelenia Gora, Polen<br />
• Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Ungarn<br />
• Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Ungarn<br />
• Nationales Institut für berufliche Bildung Bu<strong>da</strong>pest, Ungarn<br />
Teachwearkonzept:<br />
• <strong>Modul</strong> 1: Grundlagen<br />
• <strong>Modul</strong> 2: Interkulturelle Kompetenzen, Projektmanagement<br />
• <strong>Modul</strong> 3: Fluidtechnik<br />
• <strong>Modul</strong> 4: Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
• <strong>Modul</strong> 5: Mechatronische Komponenten<br />
• <strong>Modul</strong> 6: Mechatronische Systeme und Funktionen<br />
• <strong>Modul</strong> 7: Inbetriebnahme, Sicherheit, Teleservice<br />
• <strong>Modul</strong> 8: Fernwartung, Diagnose<br />
Weitere Informationen:<br />
2<br />
Technische Universität Chemnitz<br />
Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse<br />
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Reimund Neugebauer<br />
Prof. Dr.-Ing. Dieter Weidlich<br />
Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz<br />
Tel.: +49(0)0371 531-23500<br />
Fax: +49(0)0371 531-23509<br />
Email: wzm@mb.tu-chemnitz.de<br />
Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch
Inhaltsverzeichnis<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
1 Grundlagen der Elektrotechnik ......................................................................................... 7<br />
1.1 Einleitung ......................................................................................................................... 7<br />
1.1.1 Aufgabengebiete der Elektrotechnik ................................................................................ 8<br />
1.1.2 Energie- und Antriebstechnik ........................................................................................... 8<br />
1.1.3 Automatisierungstechnik .................................................................................................. 9<br />
1.1.4 Elektronik ....................................................................................................................... 10<br />
1.1.5 Nachrichtentechnik .........................................................................................................10<br />
1.1.6 Geschichte der Elektrotechnik ....................................................................................... 11<br />
1.2 Spannung, Strom und Widerst<strong>and</strong> ................................................................................. 14<br />
1.2.1 Elektrische Ladung und Spannung ................................................................................ 14<br />
1.2.2 Elektrische Stromstärke ................................................................................................. 17<br />
1.2.3 Elektrischer Widerst<strong>and</strong> ................................................................................................. 19<br />
1.2.4 Spezifischer elektrischer Widerst<strong>and</strong> ............................................................................. 20<br />
1.3 Elektrische Leistung und Arbeit ...................................................................................... 21<br />
1.4 Elektrischer Stromkreis .................................................................................................. 22<br />
1.4.1 Parallel- und Reihenschaltung ....................................................................................... 24<br />
1.4.2 Schaltung von Meßgeräten ............................................................................................ 27<br />
1.5 Gleichspannung ............................................................................................................. 29<br />
1.6 Wechselspannung .......................................................................................................... 30<br />
1.6.1 Induktive und kapazitive Lasten ..................................................................................... 32<br />
1.7 Darstellung elektrischer Schaltungen ............................................................................. 36<br />
1.7.1 Elektrische Betriebsmittel ............................................................................................... 36<br />
1.7.2 Schaltpläne .................................................................................................................... 38<br />
1.8 Elektrische Betriebsmittel ............................................................................................... 42<br />
1.8.1 Schalter und Taster ........................................................................................................42<br />
1.8.2 Grenztaster .................................................................................................................... 46<br />
1.8.3 Druckschalter ................................................................................................................. 49<br />
1.8.4 Meldegeräte ................................................................................................................... 50<br />
1.8.5 Relais und Schütze ........................................................................................................ 52<br />
1.9 Einfache Grundschaltungen ........................................................................................... 54<br />
1.9.1 Elektrische Selbsthaltung ............................................................................................... 54<br />
1.9.2 Schrittketten ................................................................................................................... 55<br />
1.9.3 Schaltpläne für Pneumatik und Hydraulik ...................................................................... 56<br />
1.10 Schutzarten .................................................................................................................... 58<br />
3
4<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
2 Speicherprogrammierbare Steuerungen ........................................................................ 61<br />
2.1 Einleitung ....................................................................................................................... 61<br />
2.1.1 Geschichte der SPS ....................................................................................................... 62<br />
2.1.2 Vergleich von VPS und SPS .......................................................................................... 64<br />
2.1.3 Vorteile und Nachteile einer SPS ................................................................................... 65<br />
2.2 Aufbau einer SPS ........................................................................................................... 66<br />
2.2.1 Bauformen einer SPS .................................................................................................... 66<br />
2.2.2 Funktion einer SPS ........................................................................................................ 70<br />
2.2.3 Programmablauf an einer SPS ...................................................................................... 72<br />
2.3 Grundlagen der Digitaltechnik ........................................................................................ 73<br />
2.3.1 Bit und Byte .................................................................................................................... 74<br />
2.3.2 Zahlensysteme ............................................................................................................... 75<br />
2.3.3 Binärsystem ................................................................................................................... 75<br />
2.3.4 Hexadezimalsystem ....................................................................................................... 77<br />
2.3.5 BCD-Zahlensystem ........................................................................................................ 78<br />
2.3.6 Ganzzahlen .................................................................................................................... 80<br />
2.3.7 Gleitkommazahlen ......................................................................................................... 81<br />
2.4 Binäre Verknüpfungen .................................................................................................... 82<br />
2.4.1 UND-Verknüpfung .......................................................................................................... 83<br />
2.4.2 ODER-Verknüpfung ....................................................................................................... 84<br />
2.4.3 Verneinung ..................................................................................................................... 85<br />
2.4.4 Bejahung ........................................................................................................................ 86<br />
2.4.5 NAND (UND-NICHT) ...................................................................................................... 87<br />
2.4.6 NOR (ODER-NICHT) ..................................................................................................... 88<br />
2.4.7 Inhibition ......................................................................................................................... 89<br />
2.4.8 Implikation ...................................................................................................................... 90<br />
2.4.9 Äquivalenz ...................................................................................................................... 91<br />
2.4.10 Antivalenz ....................................................................................................................... 92<br />
2.4.11 Speicher ......................................................................................................................... 93<br />
2.4.12 Schaltalgebra ................................................................................................................. 95<br />
2.5 Programmierung einer SPS ........................................................................................... 97<br />
2.5.1 Strukturierte Programmierung ........................................................................................ 97<br />
2.5.2 Deklaration von Variablen .............................................................................................. 99<br />
2.5.3 Anweisungen ................................................................................................................ 100<br />
2.5.4 Anweisungsliste AWL ................................................................................................... 101<br />
2.5.5 Kontaktplan KOP .......................................................................................................... 102<br />
2.5.6 Funktionsbausteinsprache FBS ................................................................................... 103<br />
2.5.7 Ablaufsprache AS ......................................................................................................... 104<br />
2.5.8 Strukturierter Text ST ................................................................................................... 105<br />
2.5.9 Zeitgeber ...................................................................................................................... 106<br />
2.5.10 Zähler ........................................................................................................................... 107<br />
2.5.11 Speicher ....................................................................................................................... 108<br />
2.5.12 Schrittketten ................................................................................................................. 109
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
3 Elektrische Antriebe ......................................................................................................111<br />
3.1 Einleitung ......................................................................................................................111<br />
3.2 Elektrische und magnetische Felder ............................................................................ 112<br />
3.2.1 Elektrisches Feld .......................................................................................................... 112<br />
3.2.2 Magnetisches Feld ....................................................................................................... 114<br />
3.2.3 Induktion ....................................................................................................................... 116<br />
3.3 Grundlagen der Stromversorgung ................................................................................ 118<br />
3.3.1 Stromerzeugung ........................................................................................................... 118<br />
3.3.2 Stromtransport und -verteilung ..................................................................................... 119<br />
3.4 Transformatoren ........................................................................................................... 120<br />
3.4.1 Idealer Transformator ................................................................................................... 120<br />
3.4.2 Realer Transformator ................................................................................................... 122<br />
3.5 Drehende elektrische Maschinen ................................................................................. 124<br />
3.5.1 Einleitung ..................................................................................................................... 124<br />
3.5.2 Drehfeldmaschinen ...................................................................................................... 125<br />
3.5.3 Drehmoment und Leistung ........................................................................................... 126<br />
3.6 Asynchronmotoren ....................................................................................................... 127<br />
3.6.1 Kurzschlussläufer ......................................................................................................... 128<br />
3.6.2 Kurzschlussläufermotoren für Einphasenwechselstrom .............................................. 129<br />
3.7 Stromwendermotoren ................................................................................................... 131<br />
3.7.1 Schaltungen von Gleichstrommotoren ......................................................................... 133<br />
3.7.2 Universalmotoren ......................................................................................................... 136<br />
3.7.3 Fehler an Stromwendermotoren .................................................................................. 137<br />
3.8 Sonstige Motoren ......................................................................................................... 138<br />
3.8.1 Synchronmotoren ......................................................................................................... 138<br />
3.8.2 Schrittmotoren .............................................................................................................. 140<br />
3.9 Steuern von Drehfeldmotoren ...................................................................................... 142<br />
3.9.1 Anlassschaltungen für Drehstrommotoren ................................................................... 143<br />
3.9.2 Ansteuerung von Stromwendermaschinen .................................................................. 148<br />
3.10 Motorschutz .................................................................................................................. 150<br />
3.10.1 Isolierstoffklassen ......................................................................................................... 152<br />
3.10.2 Betriebsarten ................................................................................................................ 153<br />
3.11 Betriebssicherheit ......................................................................................................... 154<br />
3.11.1 Schutzmaßnahmen ...................................................................................................... 155<br />
3.11.2 Fehlerschutz ................................................................................................................. 156<br />
3.11.3 Elektromagnetische Verträglichkeit EMV ..................................................................... 157<br />
5
6<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
1 Grundlagen der Elektrotechnik<br />
1.1 Einleitung<br />
Minos<br />
Die Elektrotechnik beinhaltet die Gesamtheit der technischen Anwendungen,<br />
bei denen die Wirkungen des elektrischen Stroms sowie die<br />
Eigenschaften von elektrischen und magnetischen Feldern ausgenutzt<br />
werden.<br />
Dazu gehört die Erzeugung der elektrischen Energie, ihre Übertragung<br />
und ihre Nutzung. Dabei wird die elektrische Energie nicht nur zum Antrieb<br />
von Maschinen genutzt, sondern auch im Bereich der Mess-, Steuer-<br />
und Regeltechnik. In Computern wird die Elektroenergie ebenso genutzt<br />
wie auch zur Übermittlung von Informationen in der Nachrichtentechnik.<br />
Moderne Maschinen oder Anlagen sind ohne die Verwendung elektrischer<br />
Energie kaum noch vorstellbar. Auch für den Mechaniker ist es<br />
deshalb von Vorteil, ein Grundwissen über die Funktion von elektrischen<br />
Komponenten zu besitzen. Dazu gehört auch <strong>da</strong>s Lesen können von<br />
elektrischen Schaltplänen.<br />
An manchen Bauteilen sind auch verschiedene Energieformen zu finden.<br />
Viele Ventile werden beispielsweise elektrisch betätigt, steuern jedoch<br />
über Flüssigkeiten oder Gase wiederum mechanische Antriebe.<br />
Allgemein gilt, <strong>da</strong>ss bei Spannungen von über 50 V Wechselspannung<br />
oder 120 V Gleichspannung gefährlich hohe Ströme durch den menschlichen<br />
Körper fließen können. Dieser Gefahr, die <strong>da</strong>s Leben bedrohen<br />
kann, sollte man sich stets bewusst sein.<br />
Für <strong>da</strong>s Arbeiten mit diesen gefährlichen Spannungen benötigt man eine<br />
spezielle Ausbildung und die <strong>da</strong>zugehörige Schaltberechtigung. Arbeiten<br />
mit Kleinspannung dürfen von jederman durchgeführt werden. In der<br />
praktischen Versuchen bei der Ausbildung wird deshab mit 24 V Gleichspannung<br />
gearbeitet.<br />
7
8<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
1.1.1 Aufgabengebiete der Elektrotechnik<br />
1.1.2 Energie- und Antriebstechnik<br />
Die klassische Einteilung der Elektrotechnik erfolgte in die Starkstromtechnik<br />
und die Schwachstromtechnik. Die Starkstromtechnik wird heute<br />
als Energietechnik und Antriebstechnik bezeichnet. Die Schwachstromtechnik<br />
<strong>da</strong>gegen hat sich zur Nachrichtentechnik entwickelt.<br />
Weitere Gebiete der Elektrotechnik sind inzwischen die elektrische<br />
Messtechnik und die Regelungstechnik. Auch die Elektronik ist ein<br />
Teilgebeit der Elektrotechnik.<br />
Die Grenzen zwischen den einzelnen Bereichen sind <strong>da</strong>bei vielfach fließend.<br />
Mit zunehmender Verbreitung der Anwendungen ergaben sich<br />
zahllose weitere Spezialisierungsgebiete. In unserer heutigen Zivilisation<br />
werden fast alle Abläufe und Einrichtungen elektrisch betrieben oder<br />
laufen unter wesentlicher Beteiligung elektrischer Geräte und Steuerungen.<br />
Die frühere Starkstromtechnik wird inzwischen als Energietechnik bezeichnet.<br />
Sie befasst sich mit der Erzeugung, der Übertragung und der<br />
Umformung elektrischer Energie. Auch die Hochspannungstechnik gehört<br />
zur Energietechnik.<br />
In den meisten Fällen wird elektrische Energie durch W<strong>and</strong>lung aus<br />
mechanischer Energie in rotierenden Generatoren erzeugt. Zur Energietechnik<br />
gehört aber auch die Antriebstechnik, die sich mit den Verbrauchern<br />
elektrischer Energie beschäftigt.<br />
Die Antriebstechnik wurde früher ebenfalls als Starkstromtechnik bezeichnet.<br />
Sie befasst sich mit elektrischen Maschinen, die elektrische Energie<br />
in mechanische Energie umsetzen.<br />
Typische Vertreter dieser Maschinen sind Synchron-, Asynchron- und<br />
Gleichstrommaschinen. Im Bereich der Kleinantriebe bestehen jedoch<br />
noch viele weitere Typen.<br />
Weiterhin wird in der Antriebstechnik an der Entwicklung von Linearmotoren<br />
gearbeitet, bei denen die elektrische Energie direkt in eine lineare<br />
mechanische Bewegung umgesetzt wird. Das Umw<strong>and</strong>eln über eine<br />
Rotationsbewegung in eine lineare Bewegung entfällt in diesem Fall.
1.1.3 Automatisierungstechnik<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
In der Automatisierungstechnik werden ein oder mehrere manuelle Arbeitsschritte<br />
automatisiert bzw. überwacht. Dazu werden Methoden der<br />
Mess-, Steuerungs- und Regelungstecknik, auch als MSR-Technik bezeichnet,<br />
verwendet. Bei der Steuerung und Regelung selbst wird <strong>da</strong>bei<br />
vor allem die Digitaltechnik eingesetzt.<br />
Eines der Kerngebiete der Automatisierungstechnik ist die Regelungstechnik.<br />
Regelungen sind in vielen technischen Systemen enthalten.<br />
Einfache Anwendungen der Automatisierungstechnik sind im Alltag beispielsweise<br />
die Temperaturregelungen in Bügeleisen oder Waschmaschinen.<br />
Umfangreichere Regelungen werden beispielsweise beim Betrieb von<br />
Industrierobotern benötigt. Andere Anwendungen sind die Drehzahlregelung<br />
von Motoren. Auch in Kraftfahrzeugen werden Regelungen<br />
verwendet, sowohl bei der Steuerung der Motoren als auch als Stabilitätskontrolle<br />
beim Fahrwerk. In der chemischen Industrie erfolgt die Regelung<br />
der unterschiedlichsten Prozesse mit Hilfe der Automatisierungstechnik.<br />
Teilweise überschneiden und ergänzen sich auch die unterschiedlichen<br />
Teilbereiche der Elektrotechnik. Da in der Automatisierungstechnik eine<br />
Vielzahl von Bewegungen mit elektrischen Antrieben zu realisieren sind,<br />
spielt hier die Antriebstechnik auch eine große Rolle.<br />
Die Elektronik wiederum spielt in der Antriebstechnik eine große Rolle,<br />
<strong>da</strong> die Antriebe gesteuert oder geregelt werden müssen. Auch werden<br />
Antriebe oft mittels Leistungselektroniken mit elektrischer Energie versorgt.<br />
Weiterhin wird die Elektronik zur Lastspitzenreduzierung und Energieoptimierung<br />
benötigt.<br />
9
10<br />
Minos<br />
1.1.4 Elektronik<br />
1.1.5 Nachrichtentechnik<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Die Entwicklung, Fertigung und Anwendung von elektronischen Bauelementen<br />
wie beispielsweise Kondensatoren und Spulen oder Halbleiterbauelementen<br />
wie Dioden und Transistoren gehört zum Teilgebiet Elektronik<br />
der Elektrotechnik.<br />
Als Teilgebiet der Elektronik beschäftigt sich die Mikroelektronik mit der<br />
Entwicklung und Herstellung integrierter Schaltkreise aus Halbleiterelementen.<br />
Dazu gehören Bauteile zum einfachen Verknüpfen von Signalen<br />
ebenso wie beispielsweise Hauptprozessoren von Computern<br />
oder die Prozessoren der <strong>da</strong>zugehörigen Grafikkarten..<br />
Die Leistungselektronik mit der Entwicklung von Leistungshalbleitern spielt<br />
in der Antriebstechnik eine immer größer werdende Rolle. Mit Frequenzumrichtern<br />
wird die elektrische Energie wesentlich flexibler bereitstellt,<br />
als dies beispielsweise mit Transformatoren möglich ist.<br />
Auch die Digitaltechnik wird der Elektronik zugeordnet. Dieses Gebiet<br />
umfasst die klassischen Logikschaltungen, die heute mit Transistoren<br />
aufgebaut werden. Die Digitaltechnik ist auch Grundlage vieler Steuerungen<br />
und <strong>da</strong>mit mit der Automatisierungstechnik verbunden.<br />
Die frühere Schwachstromtechnik wird heute als Nachrichtentechnik<br />
bezeichnet. Ein <strong>and</strong>erer Begriff <strong>da</strong>für ist Informations- und Kommunikationstechnik.<br />
Das Aufgabengebiet der Nachrichtentechnik ist es, mittels elektrischer<br />
Impulse oder elektromagnetischer Wellen Informationen von einem Sender<br />
zu einem oder mehreren Empfängern übertragen. Dabei werden<br />
Sender und Empfänger auch als Informationsquelle und Informationssenke<br />
bezeichnet.<br />
Die Informationen sollen <strong>da</strong>bei möglichst verlustarm übertragen werden.<br />
Dies verbessert <strong>da</strong>s Erkennen der Informationen beim Empfänger. Als<br />
Hochfrequenztechnik wird der Bereich der Elektrotechnik bezeichnet, der<br />
sich mit der Übertragung von Informationen bei hohen Frequenzen beschäftigt.<br />
Ein wichtiger Aspekt der Nachrichtentechnik ist auch die Signalverarbeitung,<br />
beispielsweise durch Filterung, aber auch die Kodierung<br />
und Dekodierung von Informationen.
1.1.6 Geschichte der Elektrotechnik<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Die Anfänge der Elektrotechnik liegen im Bereich der Physik. Dort wurden<br />
die ersten Entdeckungen rund um die Elektrizität gemacht. Mit den<br />
Arbeiten von Thomas Alva Edison und Werner von Siemens entwickelte<br />
sich die Elektrotechnik jedoch zu einer eigenen Disziplin.<br />
1752 erf<strong>and</strong> Benjamin Franklin den Blitzableiter. Er veröffentlichte die<br />
Resultate seiner Experimente in den Jahren 1751-53.<br />
1792 führte Luigi Galvani sein bekanntes Experiment mit den Froschschenkeln<br />
durch. Aless<strong>and</strong>ro Volta wurde von diesen Experimenten angeregt<br />
und baute um 1800 die so genannte Voltasche Säule. Dies stellte<br />
die erste funktionierende Batterie <strong>da</strong>r.<br />
1820 machte Hans Christian Ørsted Versuche um eine Magnetnadel<br />
durch elektrischen Strom abzulenken.<br />
Ebenfalls 1820 wies André Marie Ampère mit seinen Experimenten nach,<br />
<strong>da</strong>ss zwei stromdurchflossene Leiter eine Kraft aufein<strong>and</strong>er ausüben.<br />
Die Begriffe der elektrischen Spannung und des elektrischen Stromes<br />
gehen auf ihn zurück.<br />
Einen großen Beitrag auf dem Gebiet der elektrischen und magnetischen<br />
Felder leistete Michael Fara<strong>da</strong>y. Von ihm stammt auch der Begriff der<br />
Feldlinie.<br />
Auf der Grundlage der Arbeiten von Fara<strong>da</strong>y vervollständigte James Clerk<br />
Maxwell die Theorie des Elektromagnetismus zur Elektrodynamik und<br />
deren mathematische Formulierung.<br />
1864 veröffentlichten Maxwell die nach ihm benannten Maxwellschen<br />
Gleichungen, die eine der grundlegenden Theorien in der Elektrotechnik<br />
<strong>da</strong>rstellen.<br />
1860 erfindet Philipp Reis am Institut Garnier in Friedrichsdorf <strong>da</strong>s Telefon.<br />
Damit wird die elektrische Sprachübermittlung möglich. Seiner Erfindung<br />
wurde aber keine große Beachtung geschenkt. Das erste wirtschaftlich<br />
verwendbare Telefon konstruierte 1876 Alex<strong>and</strong>er Graham Bell<br />
in den USA. Erst Bells Telefon wurde auch erfolgreich vermarktet.<br />
11
12<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Werner von Siemens gehört zu den Wegbereitern der sogenannten Starkstromtechnik.<br />
Er entdeckte 1866 <strong>da</strong>s dynamoelektrische Prinzip und<br />
entwickelte <strong>da</strong>raus den ersten elektrischen Generator. Damit war elektrische<br />
Energie <strong>da</strong>s erste Mal in großer nutzbarer Menge vorh<strong>and</strong>en.<br />
Im Jahr 1879 erf<strong>and</strong> Thomas Alva Edison die Kohlefadenglühbirne. Damit<br />
brachte er <strong>da</strong>s elektrische Licht auch in viele Wohnungen. Damit<br />
hielt die Elektrizität Einzug in immer größere Bereiche des Lebens.<br />
Im Gegensatz zu Edison, der eher auf Gleichspannung setzte, legten<br />
Nikola Tesla und Michail von Dolivo-Dobrowolsky die Grundlagen für die<br />
Wechselspannung. Mit ihren Erfindungen legten sie die Grundlagen der<br />
heutigen Energieversorgungssysteme.<br />
Den weltweit ersten Studiengang für Elektrotechnik gabe es 1883 an der<br />
TH Darmstadt. Das Studium <strong>da</strong>uerte vier Jahre und schloss mit einer<br />
Prüfung zum Elektrotechnikingenieur ab.<br />
Weitere eigenständige Lehrstühle für Elektrotechnik wurden 1885 und<br />
1886 in Engl<strong>and</strong> an der University College London und in den USA an<br />
der University of Missouri eingerichtet. Die dort ausgebildeten Ingenieure<br />
ermöglichten die großflächige Elektrifizierung weiter Gebiete.<br />
1884 gelang es Heinrich Rudolf Hertz, die Maxwellschen Gleichungen<br />
auch experimentell nachzuweisen. Damit bestätigte er die Existenz elektromagnetischer<br />
Wellen, wodurch er die Grundlagen der drahtlosen<br />
Informationsübertragung legte. Damit entst<strong>and</strong> auch die Nachrichtentechnik.<br />
1896 wurde von Guglielmo Marconi über 3 km die weltweit erste drahtlose<br />
Funkübertragung durchgeführt. Auf seinen Arbeiten basierten die ersten<br />
Sende- und Empfangsanlagen, die ab 1900 auch komerziell verfügbar<br />
waren.<br />
Die erste Radioröhre, eine Diode, wurde 1905 von John A. Fleming erfunden.<br />
Im Jahr <strong>da</strong>rauf wurde unabhängig vonein<strong>and</strong>er von Robert von<br />
Lieben und Lee De Forest die Triode entwickelt. Diese Verstärkerröhre<br />
gab der Funktechnik einen wesentlichen Impuls.<br />
Die Grundlagen des Fernsehens wurden 1926 von John Logie Baird<br />
gelegt. Er baute mit einfachsten Mitteln den ersten mechanischen Fernseher<br />
auf Grundlage der Nipkow-Scheibe. 1928 war bereits die Übertragung<br />
von Farben möglich. In diesen Jahr erfolgte auch die erste transatlantische<br />
Fernsehübertragung von London nach New York.<br />
Manfred von Ardenne führte 1931 die Kathodenstrahlröhre ein. Durch<br />
dieses elektronische Fernsehen war <strong>da</strong>s Fernsehen auf Basis der mechanischen<br />
Nipkowscheibe schnell veraltet.
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Der weltweit erste funktionsfähigen Computer wurde von Konrad Zuse<br />
1942 fertiggestellt. Diese Computer hatte die Bezeichnung Z3. John<br />
Presper Eckert und John Mauchly folgten 1946 mit der ENIAC. Diese<br />
Bezeichnung steht für Electronic Numerical Integrator <strong>and</strong> Computer.<br />
Das <strong>da</strong>mit beginnende Computerzeitalter ermöglichte es mit seiner Rechenleistung,<br />
völlig neue Technologien zu entwickeln. Beispielsweise<br />
wurde <strong>da</strong>durch die Mondl<strong>and</strong>ung erst ermöglicht.<br />
Der Transistors wurde 1947 in den Bell Laboratories in den USA durch<br />
William B. Shockley, John Bardeen und Walter Brattain erfunden. Durch<br />
die Halbleiterindustrie konnten nun viele Geräte viel kompakter gebaut<br />
werden. Ein weiterer wesentlicher Schritt in diese Richtung war die Entwicklung<br />
der integrierten Schaltkreise und <strong>da</strong>mit der heutigen Mikroprozessoren.<br />
Der weltweit erste Industrieroboter wurde 1958 von G.C. Devol und J.<br />
Engelberger in den USA gebaut. General Motors setzte 1960 solche<br />
Roboter erstmals in der industriellen Produktion ein. Heute sind Industrieroboter<br />
ein wichtiger Best<strong>and</strong>teil der Automatisierungstechnik. In den<br />
verschiedensten Industriebereichen, wie beispielsweise der Automobilindustrie,<br />
sind sie heute unentbehrlich.<br />
1968 wird durch Marcian Edward Hoff bei der Firma Intel den Mikroprozessor<br />
entwickelt. Die erste Realisierung eines Mikroprozessors war 1969<br />
der Intel 4004, ein 4 Bit Prozessor. Der erste 8-Bit-Prozessor, der Intel<br />
8080, ermöglichte ab dem Jahr 1973 den Bau der ersten Personalcomputer.<br />
Ein wichtiges digitales Speichermedium ist die Compact Disk, bekannt<br />
als CD. Sie wurde 1978 von der Firma Philips entwickelt. 1982 entst<strong>and</strong><br />
in einer Kooperation zwischen Philips und Sony die Audio-CD. Ab 1985<br />
erfolgte auch die Speicherung von digitalen Informationen auf der CD-<br />
ROM.<br />
Von der Firma Hon<strong>da</strong> wurde im Jahr 1996 der weltweit erste funktionsfähige<br />
humanoiden Roboter, der P2, vorgestellt. Ihm folgte 1997 der P3.<br />
Die Weiterentwicklung <strong>da</strong>von war <strong>da</strong>nn der etwa 1,20 m große Asimo.<br />
Asimo hatt nur noch eine Masse von 43 kg, im Gegensatz zu den 210 kg<br />
des P2.<br />
Diese humanoiden Roboter verdeutlichen auch <strong>da</strong>s Zusammenspiel von<br />
elektrotechnischen und elektronischen Komponenten mit verschiedenen<br />
mechanischen Komponenten. Diese Verbindung unterschiedlicher Wissensgebiete<br />
wird als <strong>Mechatronik</strong> bezeichnet.<br />
13
14<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
1.2 Spannung, Strom und Widerst<strong>and</strong><br />
1.2.1 Elektrische Ladung und Spannung<br />
Bild 1: Atommodell<br />
Die Ursache für die Elektrizität sind im Aufbau der Atome zu finden. Nach<br />
dem Bohrschen Atommodell kreisen um einen positiv geladenen Atomkern<br />
negativ geladene Elektronen.<br />
Jedes chemische Element hat eine <strong>and</strong>ere Anzahl von positiv geladenen<br />
Protonen im Atomkern. Die ebenfalls im Atomkern vorh<strong>and</strong>enen<br />
Neutronen sind elektrisch ohne Ladung. Im Normalzust<strong>and</strong> umkreisen<br />
genau so viele Elektronen den Atomkern, wie <strong>da</strong>rin Protonen enthalten<br />
sind.<br />
Im Bild sind 14 Elektronen zu sehen, <strong>da</strong>s entspricht dem chemischen<br />
Element Silizium. Nach außen hin gleichen sich die Ladungen aus, <strong>da</strong>s<br />
Atom ist somit elektrisch neutral.<br />
Trennt man die äußeren Elektronen von dem Atom ab, so entstehen<br />
zwei unterschiedliche Potentiale. Der restliche Atomkern ist positiv geladen<br />
und wird als Ion bezeichnet. Die Elektronen sind negativ geladen.
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Zum Abtrennen der äußeren Elektronen ist <strong>da</strong>s Aufwenden von Arbeit<br />
erforderlich. Diese Arbeit findet sich in der elektrischen Spannung wieder,<br />
die sich nach der Trennung zwischen den unterschiedlichen Potentialen<br />
ausbildet.<br />
Für diese elektrische Spannung wird <strong>da</strong>s Formelzeichen U verwendet,<br />
die Maßeinheit ist Volt [V]:<br />
elektrische Spannung = aufgew<strong>and</strong>te Arbeit / getrennte Ladungen<br />
U = W / Q<br />
Die elektrische Spannung wird oft auch nur als Spannung bezeichnet,<br />
sie <strong>da</strong>rf aber nicht mit der Materialspannung von Werkstoffen verwechselt<br />
werden.<br />
Die Ladungsmenge Q hat die Maßeinheit Coulomb [C]. Die kleinste<br />
mögliche Ladungsmenge ist die Elementarladung e, also die Ladung<br />
eines einzelnen Elektrons. Diese Elementarladung beträgt:<br />
e = 1,602 · 10 –19 C<br />
Das Trennen der Ladungen kann mit verschiedenen Methoden durchgeführt<br />
werden:<br />
– Mechanische Reibung<br />
Beim Reiben unterschiedlicher Materialien können von dem einen<br />
Körper Elektronen abgetrennt und auf den <strong>and</strong>eren Körper übertragen<br />
werden. Dies geschieht beispielsweise beim Reiben eines<br />
Luftballons an einem Pullover. Beim Berühren eines metallischen<br />
Gegenst<strong>and</strong>es gleichen sich diese Ladungsunterschiede aus und<br />
man verspürt einen oft unangenehmen elektrischen Schlag.<br />
– Induktion<br />
Bei der Induktion wird in einem magnetischen Feld eine Drahtspule,<br />
einem elektrischen Leiter, bewegt. Dabei entsteht in der Spule eine<br />
Spannung. Technisch angewendet wird diese Induktion in den<br />
Generatoren der Kraftwerke, aber auch in der Lichtmaschine eines<br />
Autos oder im Dynamo eines Fahrrades.<br />
– Chemische Wirkung<br />
Die Ladungstrennung durch elektrochemische Vorgänge findet man<br />
vor allem in Batterien und Akkumulatoren. Die Akkumulatoren<br />
können wieder aufgeladen werden und eignen sich somit zum<br />
Speichern elektrischer Energie.<br />
– Lichtwirkung<br />
Durch <strong>da</strong>s Einwirken von Licht, oder allgemein elektromagnetischer<br />
Stahlung, kann ebenfalls eine Ladungstrennung erfolgen. Dies wird<br />
vorallem in Solarzellen genutzt.<br />
15
16<br />
Minos<br />
Beispiel<br />
Beispiel<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
– Druckeinwirkung<br />
Unter der Einwirkung von Druck wird in Piezokristallen eine Spannung<br />
erzeugt. Die <strong>da</strong>bei entstehenden Spannungen sind sehr hoch<br />
und können sich in Funken entladen. Dies wird in Gasanzündern<br />
oder Feuerzeugen genutzt. Obwohl die Spannungen sehr hoch<br />
sind, entsteht <strong>da</strong>bei wegen der geringen elektrischen Ströme keine<br />
Gefahr.<br />
– Wärmeeinwirkung<br />
Durch Wärmeeinwirkung kann an der Verbindungsstelle von zwei<br />
leitenden Materialien eine Spannung erzeugt werden. Diese Spannungen<br />
sind jedoch nur sehr klein. In Thermoelementen, die aus<br />
der Verbindung von Kupfer und Konstantan entstehen, wird dieser<br />
Effekt zum Messen der Temperatur an der Verbindungsstelle der<br />
beiden Materialien genutzt.<br />
Weiterhin ist eine Ladungstrennung auch in einem elektrischen Feld<br />
möglich.<br />
Wichtige Spannungen von Batterien und Akkumulatoren sind:<br />
1,2 V Nickel-Cadmium-Akku (baugleich zu Batterien)<br />
1,2 V Nickel-Metallhydrid-Akku (baugleich zu Batterien)<br />
1,5 V Zink-Kohle Batterie (preiswerte Batterien)<br />
2,0 V Bleiakkumulator (Starterbatterie im Auto)<br />
3,7 V Lithium-Ionen-Akkumulator (Laptops, H<strong>and</strong>ys)<br />
In Europa werden Spannungen nach ihrer Höhe in drei Bereiche unterteilt:<br />
– Kleinspannung bis 50 V Wechselspannung oder<br />
120 V Gleichspannung<br />
– Niederspannung bis 1000 V Wechselspannung oder<br />
1500 V Gleichspannung<br />
– Hochspannung über 1000 V Wechselspannung oder<br />
1500 V Gleichspannung<br />
Weitere wichtige Spannungen sind:<br />
24 V Steuerspannung (z.B. SPS)<br />
230 V Netzspannung im Haushalt<br />
500 V Straßenbahnen (Gleichspannung)<br />
750 V S-Bahn Berlin (Gleichspannung)<br />
15000 V Eisenbahn (Wechselspannung)<br />
380000 V Hochspannungsleitungen (Wechselspannung)<br />
Auf den Unterschied von Gleich- und Wechselspannung wird später noch<br />
genauer eingegangen.
1.2.2 Elektrische Stromstärke<br />
Beispiel<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Die getrennten Ladungen haben <strong>da</strong>s Bestreben, sich auszugleichen und<br />
<strong>da</strong>durch wieder elektrisch neutrale Atome zu bilden. Das Ausgleichen ist<br />
möglich, sobald die unterschiedlichen Potentiale mit einem elektrischen<br />
Leiter verbunden werden.<br />
Beim Ausgleichen der Ladungen fließt über den Leiter ein elektrischer<br />
Strom. Dabei ist die Stromstärke die Menge der Ladungen, die in einer<br />
bestimmten Zeit fließen. Die elektrische Stromstärke hat <strong>da</strong>s Formelzeichen<br />
I und wird in der Maßeinheit Ampere [A] gemessen:<br />
elektrische Stromstärke = Ladungsmenge / Zeit<br />
I = Q / t<br />
Die elektrische Stromstärke ist eine Basiseinheit des Internationalen<br />
Einheitensystems.<br />
Die Ladungsmenge kann neben ihrer Einheit Coulomb [C] auch in<br />
Amperesekunden [As] angegeben werden. Dabei gilt:<br />
1 As = 1 C<br />
Da eine Ladungsmenge von 1 As nur eine kleine Ladungsmenge ist,<br />
wird in der Praxis oft die Ladungsmenge in Amperestunden [Ah] angegeben.<br />
Dabei ist:<br />
1 Ah = 3600 As = 3600 C<br />
Aus dem Akkumulator eines Autos wird 15 Stunden lang ein Strom von<br />
4 A entnommen. Wie groß ist die entnommene Ladungsmenge?<br />
Q = I · t<br />
Q = 15 Stunden · 4A<br />
Q = 60 Ah<br />
Dem Akkumulator wurde eine Ladungsmenge von 60 Ah entnommen.<br />
17
18<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Die technische Stromrichtung geht vom Plus- zum Minuspol der<br />
Spannungsquelle. Diese Festlegung stammt aus Zeiten, zu denen die<br />
genaue Kenntnis der <strong>da</strong>bei ablaufenden Vorgänge noch nicht gegeben<br />
war. Physikalisch gesehen bewegen sich <strong>da</strong>gegen die Elektronen vom<br />
Minus- zum Pluspol. Wegen des großen Änderungsaufw<strong>and</strong>es wurde<br />
dies nie korrigiert.<br />
Der Mensch hat kein Sinnesorgan, um <strong>da</strong>s Fließen von elektrischem<br />
Strom zu erkennen. Ob ein elektrischer Strom fließ, kann deshalb nur<br />
mit Meßgeräten festgestellt werden. Zusätzlich wird ein Stromflusses<br />
durch bestimmte Wirkungen sichtbar.<br />
– Wärmewirkung<br />
Fließt ein elektrischer Strom durch einen Leiter, so wird dieser<br />
erwärmt. Dies ist oftmals nicht erwünscht, weil die Erwärmung<br />
einen Verlust an Elektroenergie bedeutet. In elektrischen Heizungen<br />
oder beispielsweise in Kochendwasserbereitern ist dieser Effekt<br />
jedoch gewünscht.<br />
– Magnetwirkung<br />
Um jeden von einem elektrischen Strom durchflossenen Leiter<br />
bildet sich ein Magnetfeld aus. Diese Magnetwirkung wird in Elektromotoren<br />
ausgenutzt, aber auch in Spulen zum Betätigen von<br />
Relais oder elektrisch angesteuerten Ventilen. Dabei wird die elektrische<br />
Energie in mechanische Energie umgew<strong>and</strong>elt. Das unerwünschte<br />
Vorh<strong>and</strong>ensein von elektromagnetischen Feldern wird<br />
<strong>da</strong>gegen oft als Elektrosmog bezeichnet.<br />
– Chemische Wirkung<br />
In Akkumulatoren wird beim Laden elektrische Energie in chemische<br />
Energie umgew<strong>and</strong>elt. Beim Entladen wird dieser Vorgang<br />
umgekehrt. Auch <strong>da</strong>s Spalten von Wasser in Wasserstoff und<br />
Sauerstoff kann mit elektrischer Energie erfolgen. Dies wird als<br />
Elektrolyse bezeichnet.<br />
– Lichtwirkung<br />
In Glühlampen wird durch einen elektrischen Strom ein elektrischer<br />
Leiter soweit erwärmt, <strong>da</strong>ss er in glühendem Zust<strong>and</strong> Licht aussendet.<br />
Dabei wird mit einem schutzgas <strong>da</strong>s Verbrennen des Leiters<br />
verhindert. In <strong>and</strong>eren Leuchtmitteln wie beispielsweise Gasentladungslampen<br />
werden die äußeren Elektronen der Atome und<br />
Moleküle eines Gases durch ein elektrisches Feld zum Aussenden<br />
von Licht angeregt.<br />
– Physiologische Wirkung<br />
Auch auf den Menschen kann der elektrische Strom eine Wirkung<br />
ausüben. Kleine Ströme werden in der Physiotherapie als Reizstrom<br />
eingesetzt. Es sind aber auf jden Fall zu hohe Durchströmungen<br />
zu vermeiden. Eine tödliche Wirkung auf den Menschen<br />
haben elektrische Ströme ab etwa 30 bis 50 mA.
1.2.3 Elektrischer Widerst<strong>and</strong><br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Beim Fließen des Stromes durch einen elektrischen Leiter wird diesem<br />
Strom ein Widerst<strong>and</strong> entgegengesetzt. Nur bei Supraleitern, die Nahe<br />
dem absoluten Nullpunkt ihren Widerst<strong>and</strong> vollständig verlieren, kann<br />
der Strom widerst<strong>and</strong>slos fließen.<br />
Der elektrische Widerst<strong>and</strong> ist vom Material abhängig und wird mit dem<br />
Formelzeichen R bezeichnet. Er wird bestimmt durch den spezifischen<br />
Widerst<strong>and</strong> [ρ] des Materials, sowie der Länge [l] und dem Querschnitt<br />
[A] des vom Strom durchflossenen Körpers und berechnet sich nach<br />
folgender Formel:<br />
Widerst<strong>and</strong> = spez. Widerst<strong>and</strong> · Länge / Querschnitt des Leiters<br />
R = ρ · l / A<br />
Die Maßeinheit des elektrischen Widerst<strong>and</strong>es ist Ohm [Ω]. Im Ohmschen<br />
Gestz wird der Zusammenhang zwischen der elektrischen Spannung,<br />
der elektrischen Stromstärke und dem elektrischen Widerst<strong>and</strong><br />
beschrieben:<br />
Widerst<strong>and</strong> = Spannung / Stromstärke<br />
R = U / I<br />
Andererseits wird somit durch den elektrischen Widerst<strong>and</strong> bestimmt,<br />
mit welcher elektrischen Stromstärke die Ladungen durch den Leiter fließen:<br />
Stromstärke = Spannung / Widerst<strong>and</strong><br />
I = U / R<br />
Der fließende Strom ist somit größer, wenn die Spannung größer ist oder<br />
wenn der Widerst<strong>and</strong> kleiner ist.<br />
Ein Stromkreis besteht <strong>da</strong>bei aus mehreren Komponenten. Die Leiter<br />
haben einen sehr kleinen Widerst<strong>and</strong> während der Verbraucher einen<br />
hohen Widerst<strong>and</strong> hat. Würde sich in dem Stromkreis kein Verbraucher<br />
befinden, so würde der Stromfluß kaum begrenzt. Dieser Zust<strong>and</strong> wird<br />
als Kurzschluß bezeichnet. Er führt durch die hohen fließenden Ströme<br />
zur Zerstörung der Leiter, falls diese nicht durch eine Sicherung geschützt<br />
werden.<br />
19
20<br />
Minos<br />
Beispiel<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Der Widerst<strong>and</strong> des menschlichen Körpers beträgt etwa 1000 Ω. Wie<br />
hoch ist der Strom, der durch den Körper bei einer Spannung von 50 V<br />
fließt?<br />
I = U / R<br />
I = 50 V / 1000 Ω<br />
I = 50 mA<br />
Bei 50 V fließt durch den Körper ein bereits lebensbedrohlicher Strom<br />
von 50 mA. Obwohl auch die Haut noch einen zusätzlichen Übergangswiderst<strong>and</strong><br />
hat, werden Spannungen über 50 V als lebensgefährlich eingeschätzt.<br />
1.2.4 Spezifischer elektrischer Widerst<strong>and</strong><br />
Beispiel<br />
Der Widerst<strong>and</strong> eines Materials hängt ab von seinem spezifischen elektrischen<br />
Widerst<strong>and</strong>. Der spezifische Widerst<strong>and</strong> hat <strong>da</strong>s Formelzeichen<br />
ρ und wird in der Maßeinheit Ωm angegeben. Üblich ist auch die anschaulichere<br />
Maßeinheit [Ωmm 2 /m].<br />
Der spezifische Widerst<strong>and</strong> berechnet sich nach folgender Formel:<br />
spez. Widerst<strong>and</strong> = Widerst<strong>and</strong> · Querschnitt / Länge des Leiters<br />
ρ = R · A / l<br />
Der Kehrwert des spezifischen Widerst<strong>and</strong>es wird als elektrische Leitfähigkeit<br />
bezeichnet.<br />
Der spezifische Widerst<strong>and</strong> ist abhängig von der Temperatur des Materials.<br />
Bei einem metallischen Leiter wächst der Widerst<strong>and</strong> mit steigender<br />
Temperatur. In Tabellen wird der spezifische Widerst<strong>and</strong> deshalb bei<br />
einer Temperatur von 20 °C angegeben.<br />
Mit Hilfe eines materialabhängigen Temperaturkoeffizienten kann der<br />
spezifische Widerst<strong>and</strong> auch für <strong>and</strong>ere Temperaturen errechnet werden.<br />
Der spezifische Widerst<strong>and</strong> von einigen Materialien beträgt bei 20 °C in<br />
[Ωmm 2 /m]:<br />
Aluminium 0,0278<br />
Kupfer 0,0175<br />
Silber 0,0159<br />
Graphit 8,0<br />
Silizium 640 · 10 6<br />
Porzellan 10 20
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
1.3 Elektrische Leistung und Arbeit<br />
Beispiel<br />
Beispiel<br />
Minos<br />
Die elektrische Leistung berechnet sich aus dem Produkt von elektrischer<br />
Spannung und elektrischer Stromstärke. Sie wird mit dem Formelzeichen<br />
P bezeichnet und hat die Maßeinheit Watt [W].<br />
Elektrische Leistung = elektrische Spannung · elektrische Stromstärke<br />
P = U · I<br />
Eine Glühlampe für 230 V hat eine Leistung von 60 W. Wie groß ist der<br />
Strom, der durch diese Glühlampe fließt?<br />
I = P / U<br />
I = 60 W / 230 V<br />
I = 0,26 A<br />
Durch die Glühlampe fließt ein Strom von 0,26 A.<br />
Die elektrische Leistung ist unabhängig von der Zeit. Die elektrische Arbeit<br />
erhält man durch die Multiplikation der Leistung mit der Zeit. Sie wird<br />
mit dem Formelzeichen W bezeichnet und hat die Maßeinheit Wattsekunde<br />
[Ws].<br />
Elektrische Arbeit = Leistung · Zeit<br />
W = P · t<br />
W = U · I · t<br />
Anstelle der Einheit [Ws] kann auch die Einheit Joule [J] verwendet werden.<br />
Die Arbeit von einem Joule ist jedoch recht klein. Deshalb wird oft<br />
die Einheit Kilowattstunde verwendet [kWh].<br />
1 kWh = 3 600 000 J<br />
Wie in der Mechanik hat die Arbeit die gleiche Einheit wie die Energie.<br />
Ein Heizgerät hat eine Leistungsaufnahme von 2200 W und wird an 230 V<br />
betrieben. Wie groß ist der Energiebe<strong>da</strong>rf in 24 Stunden?<br />
W = P · t<br />
W = 2200 W · 24 h<br />
W = 52 kWh<br />
In den 24 Stunden benötigt <strong>da</strong>s Heizgerät 52 kWh Energie.<br />
21
22<br />
Minos<br />
1.4 Elektrischer Stromkreis<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Verbindet man die beiden Pole einer Spannungsquelle mitein<strong>and</strong>er, so<br />
fließt ein Strom und die Ladungen gleichen sich aus. Sind diese beiden<br />
Pole der Spannungsquelle nicht nur einfach mitein<strong>and</strong>er verbunden, so<br />
teilen sich die Ströme und Spannungen unterschiedlich auf.<br />
Von Gustav Robert Kirchhoff wurden die zwei nach ihm benannten Regeln<br />
aufgestellt, die den Zusammenhang zwischen mehreren elektrischen<br />
Strömen und zwischen mehreren elektrischen Spannungen in elektrischen<br />
Netzwerken beschreiben.<br />
Das erste Kirchhoffsche Gesetz wird auch als Knotenpunktsatz bezeichnet.<br />
Es besagt, <strong>da</strong>ss die Summe der zufließenden Ströme in einem elektrischen<br />
Knotenpunkt gleich ist der Summe der abfließenden Ströme.<br />
Werden die zu dem Knotenpunkt zufließenden Ströme mit einem <strong>and</strong>eren<br />
Vorzeichen versehen als die abfließenden Ströme. so kann man auch<br />
sagen, <strong>da</strong>ss die Summe aller Ströme in einem Knotenpunkt gleich Null<br />
ist:<br />
I 1 + I 2 = I 3 + I 4 + I 5<br />
oder<br />
I 1 + I 2 – I 3 – I 4 – I 5 = 0<br />
Der Knotenpunktsatz findet somit an allen Verzweigungen eines Stromkreises<br />
Anwendung.<br />
Bild 2: Stromknoten<br />
I 1<br />
I 2<br />
I 4<br />
I 3<br />
I 5
Beispiel<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
U 1<br />
Bild 3: Stromkreis<br />
R 1<br />
R 3<br />
U 2<br />
R 2<br />
Minos<br />
Das zweite Kirchhoffsche Gesetz wird auch als Maschensatz bezeichnet.<br />
Es besagt, <strong>da</strong>ss in einem unverzweigtem Stromkreis die Summe<br />
der Spannungen gleich groß ist wie die Summe der Spannungsabfälle.<br />
Anders ausgedrückt addieren sich alle Spannungen in dem unverzweigten<br />
Stromkreis zu Null. Dabei ist zu beachten, <strong>da</strong>ss bei den Widerständen<br />
von einem Spannungsabfall gesprochen wird, <strong>da</strong> diese keine Spannung<br />
erzeugen sondern verbrauchen:<br />
U 1 + U 2 = R 1 · I + R 2 · I + R 3 · I<br />
oder<br />
U 1 + U 2 – R 1 · I – R 2 · I – R 3 · I = 0<br />
Die Spannungsabfälle an den Widerständen ergeben sich auch dem<br />
Ohmschen Gesetz:<br />
U = R · I<br />
Bei einem Bleiakkumulator eines Autos sind sechs einzelne Zellen mit je<br />
2 V zusammengeschaltet. Wie groß ist die Gesamtspannung?<br />
U ges = 6 · 2V<br />
U ges = 12 V<br />
Die Gesmtspannung des Bleiakkumulators beträgt 12 V.<br />
23
24<br />
Minos<br />
1.4.1 Parallel- und Reihenschaltung<br />
24V +<br />
–<br />
Bild 4: Reihenschaltung<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
In Schaltkreisen mit Reihen- und Parallelschaltungen werden mehrere<br />
Verbraucher wie Glühlampen oder Spulen von Relais oder Ventilen<br />
zusammengeschaltet. Die Spannungen und Ströme teilen sich <strong>da</strong>bei<br />
entsprechend den Kirchhoffschen Gesetzen auf.<br />
Bei einer Reihenschaltung sind beispielsweise Glühlampen hinterein<strong>and</strong>er<br />
angeordnet. Durch alle Bauteile fließt der gleiche Strom. Wenn beide<br />
Glühlampen den gleichen Widerst<strong>and</strong> haben, so fällt über beide Lampen<br />
die gleiche Spannung ab.<br />
Bei unterschiedlichen Widerständen fällt über <strong>da</strong>s Bauteil mit dem kleineren<br />
Widerst<strong>and</strong> auch eine kleinere Spannung ab als über dem Bauteil<br />
mit dem größeren Widerst<strong>and</strong>. Die Summe der Spannungsabfälle ist aber<br />
wieder gleich der Spannung der Spannungsquelle.<br />
Bei einer Reihenschaltung mit mehreren Verbrauchern sind diese entsprechend<br />
dem jeweiligen Spannungsabfall auszuwählen. Im Beispiel<br />
des Bildes würde dies bedeuten, <strong>da</strong>ss bei einem Einsatz von Lampen<br />
für 24 V diese nur dunkel oder gar nicht leuchten würden, falls sie zusammen<br />
in Reihe an eine Spannungsquelle mit 24 V angeschlossen<br />
würden.<br />
1A<br />
12V<br />
12V
Bild 5: Parallelschaltung<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
2A<br />
1A 1A<br />
+<br />
24V<br />
–<br />
24V 24V<br />
Minos<br />
In den einzelnen Strompfaden von Schaltplänen sollte deshalb normalerweise<br />
immer nur ein Verbraucher vorh<strong>and</strong>en sein, der von einem oder<br />
mehreren Kontakten oder Schaltern angesteuert wird.<br />
Es können aber auch unbemerkte Verbraucher in einem Strompfad vorh<strong>and</strong>en<br />
sein. Verschlissene Kontakte eines Schalters können so beispielsweise<br />
durch einen erhöhten Widerst<strong>and</strong> einen Spannungsabfall<br />
verursachen. Für den Verbraucher bleibt <strong>da</strong>nn von der Spannung der<br />
Spannungsquelle nur ein kleinerer Teil übrig. Dies kann wiederum zu<br />
Fehlfunktionen führen.<br />
Bei einer Parallelschaltung von zwei Glühlampen mit dem gleichen Widerst<strong>and</strong><br />
teilt sich der Gesamtstrom in zwei gleich große Teilströme auf.<br />
Über jede der beiden Lampen fällt die gleiche Spannung ab wie sie von<br />
der Spannungsquelle bereitgestellt wird.<br />
Werden Verbraucher mit verschiedenen Widerständen parallel zuein<strong>and</strong>er<br />
geschaltet, so teilen sich die Ströme oder Spannungen unterschiedlich<br />
auf. Über den Verbraucher mit dem höheren Widerst<strong>and</strong> fließt ein<br />
geringerer Strom als über den Verbraucher mit dem geringeren Widerst<strong>and</strong>.<br />
Die Berechnung der einzelnen Ströme erfolgt <strong>da</strong>bei nach dem<br />
Ohmschen Gesetz und den Kirchhoffschen Regeln.<br />
25
26<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Bei einer Reihenschaltung werden die Widerstände der einzelnen Bauteile<br />
addiert:<br />
R ges = R 1 + R 2<br />
Dagegen werden bei einer Parallelschaltung die Ströme der einzelnen<br />
Stromzweige addiert:<br />
I ges = I 1 + I 2<br />
Für die Berechnung des Gesamtwiderst<strong>and</strong>es gilt bei der Parallelschaltung:<br />
1/R ges = 1/R 1 + 1/R 2<br />
Beispiel Eine Glühlampe für 6 V soll an einem LKW angeschlossen werden. Der<br />
LKW hat nur eine Spannungsversorgung von 24 V. Damit die Glühlampe<br />
nicht durchbrennt, wird in Reihe zu der Glühlampe ein Vorwiderst<strong>and</strong><br />
angeschlossen. Über die Glühlampe soll ein Strom von 3 A fließen. Wie<br />
groß muß der Widerst<strong>and</strong> des Vorwiderst<strong>and</strong>s sein?<br />
Der Widerst<strong>and</strong> der Glühlampe beträgt bei 6 V:<br />
R 1 = U / I<br />
R 1 = 6 V / 3 A<br />
R 1 = 2 Ω<br />
Damit bei 24 V ein Strom von 3 A fließt, muß der Gesamtwiderst<strong>and</strong><br />
folgenden Wert haben:<br />
R ges = U / I<br />
R ges = 24 V / 3 A<br />
R ges = 8 Ω<br />
Der Widerst<strong>and</strong>swert des Vorwiderst<strong>and</strong>es berechnet sich nun aus dem<br />
Gesamtwiderst<strong>and</strong> und dem Widerst<strong>and</strong> der Lampe:<br />
R ges = R 1 + R 2<br />
R 2 = R ges – R 1<br />
R 2 = 8 Ω – 2 Ω<br />
R 2 = 6 Ω<br />
Der Vorwiderst<strong>and</strong> muß einen Wert von 6 Ω haben.
1.4.2 Schaltung von Meßgeräten<br />
+<br />
–<br />
Bild 6: Schalten von Meßgeräten<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Zum Messen einer Spannung wird <strong>da</strong>s Meßgerät parallel zu der<br />
Spannungsquelle angeschlossen. Bei nur einem Verbraucher im Stromkreis<br />
wird auf diese Weise auch der Spannungsabfall anm Verbraucher<br />
gemessen. Sind mehrere Verbraucher im Stromkreis vorh<strong>and</strong>en, so wird<br />
der Spannungsabfall über einen Verbraucher ermittelt, indem <strong>da</strong>s Meßgerät<br />
nur parallel zu dem zu messenden Verbraucher angeschlossen<br />
wird.<br />
Durch <strong>da</strong>s parallele Anschließen fließt nun auch ein Teil des Gesamtstromes<br />
über <strong>da</strong>s Meßgerät. Um den Stromfluß über den zu messenden<br />
Verbraucher nicht zu stark zu beeinflussen, <strong>da</strong>rf der Stromfuß über <strong>da</strong>s<br />
Meßgerät nur sehr klein sein. Das wird durch einen hohen Innenwiderst<strong>and</strong><br />
des Meßgerätes erreicht.<br />
Damit mit einem Meßgerät verschieden hohe Spannungen gemessen<br />
werden können, hat <strong>da</strong>s eigentliche Meßinstrument einen relativ kleinen<br />
Widerst<strong>and</strong>. Durch Zuschalten von Vorwiderständen wird <strong>da</strong>nn erst der<br />
für die jeweilige Messung erforderliche Gesamtwiderst<strong>and</strong> eingestellt.<br />
Das Einstellen des Meßbereiches erfolgt häufig mit einem zu drehenden<br />
Wahlschalter. Allgemein sollten Messungen immer im oberen Drittel des<br />
Messbereiches durchgeführt werden. Bei unbekannten Messwerten sollte<br />
deshalb zunächst ein hoher Messbereicheingestellt und dieser langsam<br />
von großen Werten ausgehend verringert werden, bis ein entsprechender<br />
Wert angezeigt wird.<br />
Meßgeräte zum Messen der Spannung werden auch als Voltmeter bezeichnet.<br />
A<br />
V<br />
27
28<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Um den fließenden Strom messen zu können, wird <strong>da</strong>s Messgerät in die<br />
Leitung eingefügt. Um den Strom nicht zusätzlich zu begrenzen, <strong>da</strong>rf<br />
<strong>da</strong>s Messgerät nur einen geringen eigenen Widerst<strong>and</strong> besitzen.<br />
Das Messgerät zum Messen des fließenden Stroms wird als Amperemeter<br />
bezeichnet. Vorallem zum Messen höherer Wechselströme kann <strong>da</strong>s<br />
Amperemeter auch als Zange ausgeführt sein. Ohne die Leitung aufzutrennen<br />
kann <strong>da</strong>durch der Strom gemessen werden, indem die Zange<br />
um den Leiter geklemmt wird.<br />
Messgeräte zum Messen von Spannungen und Strömen werden als<br />
Multimeter bezeichnet. Verschiedene Meßbereiche werden bei einem<br />
Multimeter durch <strong>da</strong>s Zuschalten von Widerständen realisiert.<br />
Bei Spannungsmessungen werden verschiedene Widerstände in Reihe<br />
zum eigentlichen Messgerät geschaltet. Zur Strommessung erfolgt ein<br />
paralleles Zuschalten der Zusatzwiderstände.<br />
Beim Messen mit einem Multimeter ist <strong>da</strong>rauf zu achten, <strong>da</strong>ss beim Messen<br />
der Spannung <strong>da</strong>s Multimeter nicht auf einen Messbereich zur Strommessung<br />
eingestellt ist. Durch den sehr kleinen Widerst<strong>and</strong> bei der<br />
Strommesssung fließt ein hoher Strom über <strong>da</strong>s Messgerät und kann<br />
zur Zerstörung des Gerätes oder wenigstens zum Schmelzen der Sicherung<br />
führen.<br />
Bild 7: Multimeter
1.5 Gleichspannung<br />
U<br />
Bild 8: Gleichspannung<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Widerstände werden außerhalb des Stromkreises gemessen. Die <strong>da</strong>zu<br />
erforderlichen Geräte werden als Ohmmeter bezeichnet.<br />
Multimeter sind heute fast immer Geräte mit digitaler Anzeige. Teilweise<br />
können Sie auch noch weitere elektrische Größen messen.<br />
Bei der Gleichspannung ist die Amplizude konstant. Auch die Polarität<br />
der Spannungsquelle ändert sich nicht. Die Gleichspannung ist die Voraussetzung<br />
<strong>da</strong>für, <strong>da</strong>ss ein Gleichstrom fließt.<br />
Erzeugt wird eine Gleichspannung in galvanischen Zellen, also in Batterien<br />
und Akkumulatoren. Auch Solarzellen liefern eine Gleichspannung.<br />
In Generatoren wird <strong>da</strong>gegen eine Wechselspannung erzeugt. Nur mit<br />
Hilfe einer Stromwendeschaltung kann <strong>da</strong>raus in Gleichspannungsgeneratoren<br />
eine pulsierende Gleichspannung erzeugt werden.<br />
Das Kurzzeichen für Gleichspannung ist <strong>da</strong>s Gleichheitszeichen. 24 V=<br />
ist beispielsweise Bezeichnung für eine Gleichspannung von 24 Volt.<br />
Im englischen Sprachraum wird Gleichstrom als direct current bezeichnet<br />
und mit DC abgekürzt.<br />
t<br />
29
30<br />
Minos<br />
1.6 Wechselspannung<br />
U<br />
Bild 9: Wechselspannung<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Gleichspannung ist vor allem bei kleinen Spannungswerten üblich. So<br />
werden vielfach Steuerungen mit 24 V Gleichspannung betrieben. In<br />
PKWs werden 12 V Gleichspannung verwendet.<br />
Der Nachteil der Gleichspannung besteht <strong>da</strong>rin, <strong>da</strong>ss bei diesen kleinen<br />
Spannungswerten keine großen Leistungen übertragen werden können.<br />
Um große Energiemengen zu transportieren muss die Spannung sehr<br />
hoch sein, <strong>da</strong>mit die <strong>da</strong>nn fließenden Ströme nicht zu groß werden. Allerdings<br />
läßt sich Gleichspannung nicht einfach auf höhere Spannungswerte<br />
bringen.<br />
Deshalb kommt bei höheren Spannungen häufig Wechselspannung zum<br />
Einsatz. Bei der Wechselspannung ändert sich die Größe und die Polarität<br />
der Spannung periodisch. Der Vorteil der Wechselspannung besteht<br />
<strong>da</strong>rin, <strong>da</strong>ss die Spannung mit Hilfe von Transformatoren einfach auf höhere<br />
oder niedrigere Werte gew<strong>and</strong>elt werden kann.<br />
So werden beispielsweise für Überl<strong>and</strong>leitungen sehr hohe Spannungen<br />
erzeugt. Beim Übertragen einer bestimmten Leistung sind die <strong>da</strong>bei<br />
fließenden Ströme geringer als bei einer kleineren Spannung. Die unvermeidlichen<br />
Leitungsverluste durch den Widerst<strong>and</strong> der Leitungen<br />
werden <strong>da</strong>durch geringer.<br />
t
Beispiel<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Die Wechselspannung hat häufig einen sinusförmigen Verlauf. Es sind<br />
aber auch Wechselspannungen mit Sägezahn-, Dreieck- oder Rechteckform<br />
möglich.<br />
Bei der Wechselspannung werden üblicherweise nicht die Spitzenspannungen<br />
angegeben sondern die Effektivwerte. Der Effektivwert der<br />
sinusförmigen Wechselspannung berechnet sich <strong>da</strong>bei wie folgt:<br />
Effektivwert = Spitzenwert / √2<br />
U eff = U s / √2<br />
Der Wechselstrom in Haushalten hat eine effektive Spannung von 230 V.<br />
Wie hoch ist die Spitzenspannung?<br />
U eff = U s / √2<br />
U s = U eff · √2<br />
U s = 230 V · √2<br />
U s = 325 V<br />
Die Spitzenspannung der Wechselspannung im Haushalt beträgt 325 V.<br />
Das Kurzzeichen für Wechselspannung ist die Tilde. 230 V~ ist beispielsweise<br />
die Kurzbezeichnung für die Wechselspannung, die in Haushalten<br />
anliegt Sie hat einen Effektivwert von 230 Volt.<br />
Bei der Wechselspannung ändert sich die Polarität regelmäßig. Die Geschwindigkeit<br />
der Änderung wird als Frequenz bezeichnet. Sie wird mit<br />
dem Formelzeichen f bezeichnet und in Hertz [Hz] angegeben. Dabei ist<br />
eine Frequenz von 1 Hz eine ganze Schwingung innerhalb einer Sekunde.<br />
In Europa beträgt die Frequenz des Wechselstromnetzes 50 Hz, in Nor<strong>da</strong>merika<br />
<strong>da</strong>gegen 60 Hz. Das Netz der Eisenbahn in Deutschl<strong>and</strong> wird<br />
mit Wechselstrom mit einer Frequenz von 16 2/3 Hz betrieben.<br />
Im englischen Sprachraum wird Wechselstrom als alternating current<br />
mit der Abkürzung AC bezeichnet.<br />
31
32<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
1.6.1 Induktive und kapazitive Lasten<br />
Grundsätzlich gilt bei der Wechselspannung auch <strong>da</strong>s Ohmsche Gesetz.<br />
Dabei ist jedoch <strong>da</strong>s Verhalten von Spulen und Kondensatoren zu<br />
beachten.<br />
Während bei der Gleichspannung nur ohmsche Widerstände auftreten,<br />
so haben bei einer Wechselspannung Spulen zusätzlich einen induktiven<br />
und Kondensatoren einen kapazitiven Widerst<strong>and</strong>.<br />
In einer Spule wird durch die Selbstinduktion eine Spannung erzeugt.<br />
Diese wirkt dem Stromfluß entgegen und wird als induktiver Widerst<strong>and</strong><br />
bezeichnet. Aus diesem Grund steigt der Strom um den Phasenwinkel ϕ<br />
später an. Bei einer verlustlosen Spule eilt <strong>da</strong>bei die Spannung dem<br />
Strom um 90° voraus.<br />
Die Induktivität L einer Spule wird in Henry [Vs/A] angegeben.<br />
In einem Kondensator fließt bei einer Gleichspannung nur solange Strom<br />
hinein, bis er geladen ist. Erst <strong>da</strong>nn liegt die volle Spannung an den<br />
Platten des Kondensators an.<br />
Bei einer Wechselspannung wird durch <strong>da</strong>s Umkehren der Spannung<br />
ein Kondensator ständig umgeladen. Es fließt also erst ein Strom, bevor<br />
sich die Spannung ganz aufbaut. In einem verlustlosen Kondensator eilt<br />
<strong>da</strong>bei der Strom der Spannung um 90° voraus.<br />
Die Kapazität eines Kondensators wird in Farad [F] angegeben.<br />
Die Berechnung von Leistung und Arbeit kann bei einer Wechselspannung<br />
grundsätzlich ebenso erfolgen, wie bei der Berechnung bei Gleichspannung.<br />
Dies gilt jedoch nur, wenn ausschließlich ohmsche Widerstände<br />
vorh<strong>and</strong>en sind. Für die Berechnung werden in diesem Fall die<br />
Effektivwerte verwendet.<br />
Sobald in einem Stromkreis Spulen, also Motoren oder Elektromagete,<br />
oder auch Kondensatoren vorh<strong>and</strong>en sind, muß die Berechnung korrigiert<br />
werden. Da sich durch die Induktivitäten und Kapazitäten eine Phasenverschiebung<br />
zwischen der Spannung und dem Strom ergibt, treten<br />
die Spitzen der Spannungs- und der Stromkurve nicht mehr zeitgleich<br />
auf.<br />
Werden in diesem Fall die Effektivwerte von Spannung und Strom multipliziert,<br />
so erhält man die Scheinleistung:<br />
Scheinleistung = Spannung · Strom<br />
S = U · I<br />
Die Scheinleistung wird mit der Einheit [VA] angegeben.
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Die so berechnete Scheinleistung ist jedoch größer als die tatsächliche<br />
Leistung. Die Differenz zur tatsächlichen Leistung wird durch den<br />
Leistungsfaktor ϕ berücksichtigt. Bei vielen Motoren oder Maschinen ist<br />
dieser Wert mit auf dem Typenschild angegeben.<br />
Die tatsächliche Leisung wird als Wirkleistung bezeichnet. Sie berechnet<br />
sich nach folgender Formel:<br />
Wirkleistung = Spannung · Strom · cos ϕ<br />
P = U · I · cos ϕ<br />
Die Wirkleistung wird in Watt [W] angegeben.<br />
Die Differenz zwischen Scheinleistung und Wirkleistung wird als Blindleistung<br />
Q bezeichnet. Sie wird in der Einheit [Var] angegeben.<br />
Durch den Leistungsfaktor ϕ wird auch deutlich, <strong>da</strong>ss Blindleistung und<br />
Wirkleistung nicht einfach addiert werden können, um die Scheinleistung<br />
zu ermitteln. Es h<strong>and</strong>elt sich hier um eine geometrische Addition, bei der<br />
Wirkleistung und Blindleistung einen rechten Winkel bilden. Die Scheinleistung<br />
ist in diesem Fall die Hypotenuse des Dreiecks.<br />
ϕ<br />
Scheinleistung<br />
Wirkleistung<br />
Bild 10: Wirkleistung und Scheinleistung<br />
Blindleistung<br />
33
34<br />
Minos<br />
Beispiel<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Ein Elektromotor hat einen Leistungsfaktor ϕ = 0,85. An einem<br />
Wechselstromnetz mit 230 V nimmt er effektiv 3,5 A Strom auf. Wie groß<br />
ist die Wirkleistung und die Blindleistung?<br />
P = U · I · cos ϕ<br />
P = 230 V · 3,5 A · 0,85<br />
P = 684,25 W<br />
Die Wirkleistung beträgt 684,25 W.<br />
Aus dem Kosinus von 0,85 ergibt sich ein Winkel von 31,79°. Der Sinus<br />
dieses Winkels ist 0,527. Somit berechnet sich die Blindleistung wie folgt:<br />
Q = U · I · sin ϕ<br />
Q = 230 V · 3,5 A · 0,527<br />
Q = 224,2 Var<br />
Die Blindleistung beträgt 224,2 Var. Die Berechnung hätte auch mit dem<br />
Satz des Pythagoras durchgeführt werden können.<br />
Analog zu den Bezeichnungen der Leistung erfolgt auch die Bezeichnung<br />
der Widerstände bei Wechselspannungen. Der Gesamtwiderst<strong>and</strong><br />
wird als Scheinwiderst<strong>and</strong> bezeichnet. Dieser setzt sich zusammen aus<br />
dem ohmschen Widerst<strong>and</strong> des Leiters und dem Blindwiderst<strong>and</strong>.<br />
Die Addition des ohmschen Widerst<strong>and</strong>es und des Blindwiderst<strong>and</strong>es<br />
erfolgt ebenfalls <strong>da</strong>rin, <strong>da</strong>ss beide im rechten Winkel zusammengeführt<br />
werden. Durch den Winkel ϕ wird <strong>da</strong>s Verhältnis von Ohmschen Widerst<strong>and</strong><br />
zu Blindwiderst<strong>and</strong> angegeben. Bei einem sehr großen Winkel ϕ<br />
kann der Ohmsche Widerst<strong>and</strong> auch vernachlässigt werden.<br />
In der Praxis treten Blindwiderstände allerdings nie alleine auf, <strong>da</strong> es<br />
keine verlustlosen Stromkreise gibt. Blindwiderstände sind deshalb immer<br />
mit ohmschen Widerständen verknüpft, die tatsächlich Leistung<br />
umsetzen.<br />
Beispiele für Widerstände, die einen ohmschen und einen induktiven<br />
Anteil haben sind:<br />
– Motoren<br />
– Transformatoren<br />
– Leuchtstoff- und Gasentladungslampen mit konventionellem Vorschaltgerät<br />
ohne Kompensation
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Beispiele für Widerstände, die einen ohmschen und einen kapazitiven<br />
Anteil haben sind:<br />
– Schaltnetzteile (beispielsweise in Computern verwendet)<br />
– Frequenzumrichter<br />
In Generatoren zur Stromerzeugung wird Wechselspannung häufig<br />
durch drei Spulen erzeugt, die um 120° gegenein<strong>and</strong>er versetzt angeordnet<br />
sind. Dadurch entstehen drei einzelne Wechselspannungen, die<br />
um jeweils eine drittel Periode gegenüber den <strong>and</strong>eren Wechselspannungen<br />
versetzt sind.<br />
Der Dreiphasenwechselstrom wird umgangssprachlich als Drehstrom<br />
bezeichnet. Für Kleinverbraucher lassen sich die einzelnen Phasen des<br />
Drehstomes auch seperat nutzen. Größere Motoren werden jedoch mit<br />
allen drei Phasen des Drehstromes angetrieben.<br />
In der Steuerungstechnik werden viele Ventile mit Magnetspulen betätigt.<br />
Teilweise können diese Spulen mit Gleichspannung oder mit<br />
Wechselspannung betrieben werden.<br />
Da die Spulen beim Betrieb mit Wechselspannung zusätzlich zum ohmschen<br />
Widerst<strong>and</strong> einen induktiven Widerst<strong>and</strong> aufweisen, müssen sie<br />
in diesem Fall mit einer höheren Spannung betrieben werden. So ist<br />
beispielsweise beim Betrieb mit Wechselspannung eine Spannung von<br />
48 V erforderlich, währen die gleiche Magnetspule beim Betrieb mit<br />
Gleichspannung nur mit 24 V betrieben werden <strong>da</strong>rf.<br />
Wird <strong>da</strong>gegen eine Magnetspule, die für 48 V Wechselspannung ausgelegt<br />
ist, stattdessen mit 48 V Gleichspannung betrieben, so wird sie<br />
durch den <strong>da</strong>nn fehlenden induktiven Widerst<strong>and</strong> mit einem höheren<br />
elektrischen Strom durchflossen. Da sich die Magnetspule <strong>da</strong>durch stärker<br />
erwärmt, <strong>da</strong>rf sie in diesem Fall nur kurz eingeschaltet werden.<br />
Weiterhin ist zu beachten, <strong>da</strong>ss der induktive Widerst<strong>and</strong> auch von der<br />
Frequenz abhängt. Eine Magnetspule wird <strong>da</strong>durch im amerikanischen<br />
Stromnetz mit 60 Hertz einen etwas größeren Widerst<strong>and</strong> aufweisen<br />
als im europäischen Stromnetz bei 50 Hertz.<br />
35
36<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
1.7 Darstellung elektrischer Schaltungen<br />
1.7.1 Elektrische Betriebsmittel<br />
In der Elektrotechnik wird die die grafische Darstellung einer Schaltung<br />
als Schaltplan bezeichnet. Sie berücksichtigt nicht die reale Gestalt und<br />
Anordnung der Bauteile, sondern ist eine abstrahierte Darstellung der<br />
elektrischen Funktionen und der Stromverläufe.<br />
Die Schaltpläne entstehen bereits zu Beginn des Entwurfes einer Anlage<br />
oder einer Baugruppe. Sie werden aber später auch für Reparaturen<br />
und Wartungen benötigt. Schaltpläne gehören zu den funktionsbezogenen<br />
Dokumenten nach DIN EN 61082.<br />
Die einzelnen Bauteile einer elektrischen Schaltung werden als Betriebsmittel<br />
bezeichnet. Die Art des Betriebsmittels wird durch einen Kennbuchstaben<br />
gekennzeichnet. Vor diesen Buchstaben kann ein Minuszeichen<br />
gesetzt werden. Ist sichergestellt, <strong>da</strong>ss der Kennbuchstabe ein Betriebsmittel<br />
bezeichnet, kann dieses Minus auch entfallen.<br />
Weitere Kennzeichnungsblöcke gibt es für die Anlagenbezeichnung. Ihr<br />
wird ein Gleichheitszeichen (=) vorangestellt. Dem Einbauort wird beschrieben,<br />
in dem ein Pluszeichen (+) vor der Bezeichnung steht.<br />
Auch die Anschlüsse der Bauteile können bezeichnet werden. Diesen<br />
Bezeichnungen wird ein Doppelpunkt (:) vorangestellt. Die beiden Anschlüsse<br />
der Spule eines Relais werden beispielsweise mit :A1 und :A2<br />
gekennzeichnet.<br />
Wichtige Kennbuchstaben elektrischer Betriebsmittel sind:<br />
A Baugruppen (Verstärker, Umsetzer)<br />
B Umsetzer nichtelektrischer in elektrische Größen und umgekehrt<br />
(Zylinderschalter, Sensoren, Druckschalter)<br />
F Schutzeinrichtungen (Sicherungen oder Schutzrelais)<br />
H Meldeeinrichtungen (optische oder akustische Meldegeräte)<br />
K Relais (auch Zeitrelais und Schütze)<br />
M Motoren<br />
P Messgeräte<br />
S Schalter (Wählschalter, Taster)<br />
X Klemmen, Stecker (Klemmleisten, Trennstecker)<br />
Y elektrisch betätigte mechanische Einrichtungen (Magnetspulen)<br />
Betriebsmittel werden im spannungslosen und unbetätigtem Zust<strong>and</strong><br />
gezeichnet. Eine Ausnahme stellen mechanisch betätigte Schaltglieder<br />
<strong>da</strong>r.
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Die Betriebsmittelkennzeichnung wird links neben oder unter <strong>da</strong>s Symbol<br />
geschrieben. Die Anschlusskennzeichnungen kommen rechts neben<br />
oder oben an die Anschlüsse.<br />
Beispiele für Anschlüßbezeichnungen sind:<br />
Anschlüsse von Relais :A1 und :A2<br />
Anschlüsse von Meldern :X1 und :X2<br />
Anschlüsse von Klemmen :1, :2, uund weitere Ziffern<br />
Anschlüsse von Elektromotoren :u, :v, :w<br />
Rechts neben der Ordnungsnummer der Betriebsmittelkennzeichnung<br />
kann ein weiterer Buchstabe angeordnet werden. Damit wird eine weitere<br />
Information in Bezug auf die Funktion des Betriebsmittels hinzugefügt.<br />
Zusatzbuchstaben sind:<br />
Zeitfunktion T<br />
Hilfsfunktion A<br />
Hauptfunktion M<br />
Zählfunktion C<br />
-K1T<br />
-K1<br />
-H1<br />
:A1<br />
:A2<br />
:X1<br />
:X2<br />
:A1<br />
:A2<br />
Bild 11: Beispiele elektrische Betriebsmittel<br />
Relais<br />
Leuchtmelder<br />
Zeitrelais<br />
37
38<br />
Minos<br />
1.7.2 Schaltpläne<br />
L1<br />
L2<br />
L3<br />
PE<br />
400 VAC 50 Hz<br />
-F1...F3<br />
-K1<br />
-F4<br />
-M1<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
M<br />
3 AC<br />
Bild 12: Stromlaufplan, aufgelöste Darstellung<br />
Die verschiedenen Betriebsmittel werden in Schaltpläne eingetragen.<br />
Dadurch wird deutlich, in welcher Beziehung sie zuein<strong>and</strong>er stehen.<br />
Wenn die elektrischen Schaltungen ausführlich und in ihren Einzelheiten<br />
<strong>da</strong>rgestellt sind, werden sie als Stromlaufpläne bezeichnet.<br />
Bei einem Stromlaufplan inm aufgelöster Darstellung wird der Hauptstromkreis<br />
getrennt vom Steuerstromkreis <strong>da</strong>rgestellt. Oben werden die<br />
Stromschienen, die die unterschiedlichen Potentiale zeigen, als waagerechte<br />
Linien gezeichnet.<br />
Die Bezeichnung der einzelnen Stromschienen wird links <strong>da</strong>von angeordnet.<br />
Oben über die Stromschienen wird die Spannungshöhe geschrieben.<br />
Die einzelnen Strompfade werden senkrecht angeordnet. Dabei erfolgt<br />
der Stromfluß von oben nach unten. Die Verbraucher werden also ganz<br />
unten angeordnet.<br />
Die Darstellung im Stromlaufplan nimmt <strong>da</strong>bei weder Rücksicht auf die<br />
räumliche Anordnung der einzelnen Betriebsmittel noch auf die Zusammengehörigkeit<br />
einzelner Best<strong>and</strong>teile.<br />
L1<br />
N<br />
230 VAC 50 Hz<br />
-F5<br />
-F4<br />
-S0<br />
-S1 -K1<br />
-K1
L1<br />
L2<br />
L3<br />
N<br />
PE<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
400 VAC 50 Hz<br />
-F1...F3<br />
-F4<br />
-M1<br />
M<br />
3 AC<br />
Bild 13: Stromlaufplan, zusammenhängende Darstellung<br />
-S0<br />
-F5<br />
Minos<br />
Die Stromlaufpläne in aufgelöster Darstellung werden verwendet, um<br />
Schaltungen zu entwickeln und um ein Verständnis für die Schaltung<br />
zu finden. Um eine Schaltung zu verdrahten sind diese Schaltpläne<br />
weniger geeignet.<br />
Bei den Stromlaufplänen in zusammenhängender Darstellung wird der<br />
Hauptstromkreis und der Steuerstromkreis inein<strong>and</strong>er gezeichnet.<br />
Die zusammengehörenden Teile eines Betriebsmittels werden zusammenhängend<br />
<strong>da</strong>rgestellt. Mit einer gestrichelten Linie wird die mechanische<br />
Verbindung <strong>da</strong>rgestellt.<br />
Die tatsächliche räumliche Anordnung wird bei den Stromlaufplänen in<br />
zusammenhängender Darstellung nicht berücksichtigt.<br />
Die Übersichtlichkeit kann bei dieser Darstellung leicht verloren gehen.<br />
Deshalb wird sie nur für einfache Schaltpläne verwendet. Ein Einsatzgebiet<br />
ist die Darstellung von Schaltplänen in Kraftfahrzeugen.<br />
Der Stromlaufplan in zusammenhängender Darstellung wird teilweise<br />
auch als Wirkschaltplan bezeichnet.<br />
-K1 -S1<br />
39
40<br />
Minos<br />
Bild 14: Stromlaufplan, Übersichtsschaltplan<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Eine einfache Variante des Stromlaufplans ist der Übersichtsschaltplan.<br />
Hier werden auch mehrpolige Leitungen nur durch eine Linie <strong>da</strong>rgestellt.<br />
Die parallel laufende Leitungen werden somit zeichnerisch<br />
zusammengefasst, um die Anzahl der parallel laufenden Stränge zu<br />
verringern.<br />
Die Anzahl der parallel laufenden Stränge wird durch Querstriche und<br />
Ziffern angegeben. Dies ist vor allem bei Schaltungen mit zahlreichen<br />
drei- bis fünfpoligen Drehstromleitungen der Fall.<br />
In komplexen Systemen werden <strong>da</strong>durch nur die wichtigsten Verbindungen<br />
zwischen den einzelnen Betriebsmitteln gezeigt.<br />
Der Übersichtsschaltplan wird vorallem in der Installationstechnik und<br />
in der Energieversorgung angewendet.<br />
3<br />
-K1<br />
-M1<br />
-F1...F3<br />
-F4<br />
M<br />
3 AC<br />
3<br />
3<br />
3<br />
3
-X1<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Bild 15: Stromlaufplan, Geräteverdrahtungsplan<br />
A1 2 4 6 14 1 3 4 95<br />
-K1 -F4<br />
A2 1 3 4 12 2 4 6 96<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12<br />
Minos<br />
Im Geräteverdrahtungsplan werden die Betriebsmittel aus Sicht der<br />
Verdrahtung gezeichnet. Die einzelnen Bauteile werden <strong>da</strong>bei als Einheit<br />
<strong>da</strong>rgestellt. Somit sind alle internen Verbindungen innerhalb eines<br />
Bauteils und werden nicht gesondert gezeichnet.<br />
Zum Geräteverdrahtungsplan gehören gehören weitere Pläne, wie beispielsweise<br />
Kabelpläne, Anschlusspläne, und Kabellisten. Ebenso muss<br />
die Belegung der Klemmen <strong>da</strong>rgestellt werden.<br />
In der Elektrotechnik werden noch weitere Pläne und Diagramme eingesetzt.<br />
Dazu gehören Blockschaltpläne, Funktionsschaltpläne und<br />
Anordnungspläne.<br />
Der zeitliche Ablauf einer Schaltung kann in Zeitablaufdiagrammen <strong>da</strong>rgestellt<br />
werden.<br />
41
42<br />
Minos<br />
1.8 Elektrische Betriebsmittel<br />
1.8.1 Schalter und Taster<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Zum Eingeben von Signalen werden Befehlsgeräte verwendet. Signale<br />
werden aber auch durch Näherungsschalter oder Eingabew<strong>and</strong>ler erzeugt.<br />
Die Bedienung einer elektrischen Steuerung erfolgt durch Taster und<br />
Schalter. Ein Taster kehrt nach seiner Betätigung selbstständig in die<br />
Ausgangsstellung zurück. Dagegen bleibt ein Stellschalter in der betätigten<br />
Position, bis er durch eine erneute Betätigung in die Ausgangsstellung<br />
zurückgestellt wird.<br />
Nach der konstruktiven Gestaltung der Befehlsgeräte werden die<br />
Tastelemente in Drucktaster, Wahltaster mit und ohne Raststellung, Pilztaster,<br />
Schlagtaster mit und ohne Verschlüsselung bei Entsperrung durch<br />
Drehen und Schlüsseltaster unterschieden.<br />
Nach ihrer Funktion im elektrischen Steuerstromkreis werden die Befehlsgeräte<br />
unterschieden in Schließer, Öffner und Wechsler.<br />
Die Kontakte der Taster oder Schalter, die beim Betätigen verbunden<br />
werden, werden als Schließer bezeichnet. Dagegen unterbrechen Öffnerkontakte<br />
beim Betätigen den Stromkreis. Teilweise werden auch die<br />
Begriffe NO für Schließer (engl. NO = normal opened) und NC für Öffner<br />
(engl. NC = normal closed) verwendet.<br />
Eine Kombination aus Schließer und Öffner hat einen gemeinsamen<br />
Mittelkontakt und wird Wechsler genannt. Wechslerkontakte werden zum<br />
Umschalten zwischen zwei Stromkreisen genutzt. Sie können aber auch<br />
je nach Be<strong>da</strong>rf als Schließer oder Öffner verwendet werden.<br />
Die Kontakte eines Öffners werden mit den Ziffern 1 und 2 bezeichnet.<br />
Dagegen bekommen die Kontakte eines Schließers die Bezeichnungen<br />
3 und 4.<br />
Da der Wechslerkontakt aus einer Kombination von Schließer und Öffner<br />
besteht, wird der Mittenkontakt mit der Ziffer 1 gekennzeichnet. Entsprechend<br />
wird die Ziffer 2 für den Öffnerkontakt und die Ziffer 4 für den<br />
Schließerkontakt verwendet.<br />
Die Betätigung des Tasters oder Schalters wird durch Symbole <strong>da</strong>rgestellt,<br />
die mit einer Strichlinie mit dem eigentlichen Kontakt verbunden<br />
sind.<br />
Eine Besonderheit stellen Not-Aus-Schalter <strong>da</strong>r. Diese roten Pilzkopftaster<br />
auf gelben Grund müssen leicht erreichbar angeordnet sein. Im<br />
Gefahrenfall wird mit ihnen die Anlage sofort spannungsfrei geschaltet.<br />
Bei Not-Aus-Schaltern h<strong>and</strong>elt es sich um Öffnerkontakte, die durch Drükken<br />
des Tasters unterbrochen werden. Zum erneuten Schließen muss<br />
der Not-Aus-Schalter erst entriegelt werden.
2<br />
3<br />
4<br />
1<br />
2<br />
4<br />
1<br />
Bild 16: Symbole von Tastern und Schaltern<br />
Bild 17: Taster mit Schließerkontakten<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Taster, Schließerkontakt<br />
Taster, Öffnerkontakt<br />
Taster, Wechslerkontakt<br />
Schaltelement<br />
Anschlüsse<br />
Feder<br />
allgemein betätigt<br />
Minos<br />
allgemein betätigt, rastend<br />
drückend betätigt, Taster<br />
ziehend betätigt<br />
drehend betätigt<br />
kippend betätigt<br />
43
44<br />
Minos<br />
Bild 18: Taster mit Öffnerkontakten<br />
Federn<br />
Bild 19: Taster mitWechslerkontakten<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Schaltelement<br />
Anschlüsse<br />
Feder<br />
Anschluß Öffner<br />
Schaltelement<br />
Anschluß Schließer
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Bei Befehlsgeräten sind nach VDE 0113 die Farben der Tastelemente<br />
der Befehlsart und Funktion zugeordnet.<br />
Rot H<strong>and</strong>eln im Gefahrenfall<br />
Mit rot werden Befehlsgeräte zum Betätigen des Not-Aus oder zur Br<strong>and</strong>bekämpfung<br />
gekennzeichnet.<br />
Rot Halt, Aus<br />
Mit rot werden auch Befehlsgeräte gekennzeichnet, mit denen man alles<br />
stillsetzen kann. Dazu gehört <strong>da</strong>s:<br />
– Stillsetzen oder Stoppen eines oder mehrerer Motoren<br />
– Stillsetzen eines Teiles der Maschine<br />
– Zyklusstillsetzen. Wenn <strong>da</strong>s Bedienpersonal während des<br />
Zyklusses den Drucktaster betätigt, <strong>da</strong>nn hält die Maschine an,<br />
nachdem der Zyklus beendet ist.<br />
– Ausschalten eines Schaltgerätes<br />
– Rückstellung, kombiniert mit einer Halt-Funktion<br />
Gelb Eingriff zur Beseitigung abnormaler Bedingungen oder zur<br />
Verhinderung unerwünschter Änderungen.<br />
Dies ist beispielsweise der Rücklauf von Maschineneinheiten zum Ausgangspunkt<br />
des Zyklusses, falls dieser noch nicht abgeschlossen war.<br />
Das Betätigen des gelben Befehlstasters kann <strong>and</strong>ere, vorher gewählte<br />
Funktionen außer Kraft setzen.<br />
Grün START oder EIN<br />
Mit grün werden Befehlsgeräte gekennzeichnet, mit denen man alles<br />
starten kann. Dazu gehört:<br />
– Anlauf eines oder mehrerer Motoren<br />
– Anlauf eines Teils der Maschine<br />
– Starten von Hilfsfunktionen<br />
– Einschalten eines Schaltgerätes<br />
– Steuerstromkreis an Spannung legen<br />
Blau Jede beliebige Bedeutung<br />
Eine Funktion, für die keine der Farben Rot, Gelb und Grün gilt, kann in<br />
besonderen Fällen dieser Farbe zugeordnet werden.<br />
Schwarz, Grau, Weiß sind keiner besonderen Bedeutung zugeordnet<br />
Diese Farben dürfen für jede Funktion angewendet werden, mit Ausnahme<br />
der Drucktaster mit alleiniger HALT- und AUS-Funktion.<br />
Schwarz wird beispielsweise für den Tippbetrieboder <strong>da</strong>s Tippen beim<br />
Einrichten verwendet. Weiß wird vorallem zum Steuern von Hilfsfunktionen,<br />
die nicht zum Arbeitszyklus gehören genutzt.<br />
45
46<br />
Minos<br />
1.8.2 Grenztaster<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Taster können neben der Betätigung durch den Menschen auch mechanisch<br />
durch Bauteile einer Maschine betätigt werden. Sie werden in diesem<br />
Fall als Grenztaster, Positionsschalter oder Endlagenschalter bezeichnet.<br />
Die Schalter zum Abfragen der Position von pneumatischen<br />
oder hydraulischen Zylindern werden Zylinderschalter genannt.<br />
Das Umschalten der elektrischen Kontakte geschieht durch <strong>da</strong>s Einwirken<br />
einer äußeren Kraft. Die Taster arbeiten <strong>da</strong>bei berührend oder<br />
berührungslos. Kleine Taster verfügen im Innern über Mikroschalter. Sie<br />
werden mit einem Stößel oder einer Rolle betätigt und haben häufig nur<br />
einen Wechslerkontakt. Größere mechanisch betätigte Taster können<br />
auch jeweils einen Schließer- und Öffnerkontakt haben.<br />
Beispiele von Einsatzgebieten von mechanischen Grenztastern sind:<br />
– Türkontrolle,<br />
– Bremslichtschalter,<br />
– Endlagenkontrolle eines Verschiebetisches.<br />
Die mechanischen Grenztaster werden jedoch immer mehr durch<br />
berührungslos arbeitende Sensoren ersetzt. Elektronische Sensoren<br />
arbeiten kontaktlos, sie haben eine wesentlich höhere Lebens<strong>da</strong>uer und<br />
sind weniger störanfällig.<br />
Bild 20: Mikroschalter
Bild 21: Reedkontakt<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Ein sehr einfacher und berührungslos arbeitender Zylinderschalter ist<br />
der Reed-Kontakt. Dabei h<strong>and</strong>elt es sich um zwei Kontakte, die in einem<br />
Glaskörper eingeschmolzen sind. Durch <strong>da</strong>s Magnetfeld eines Dauermagneten<br />
im Kolben des Zylinders werden die beiden Kontakte zusammengedrückt.<br />
Andere berührungslos arbeitende Zylinderschalter besitzen elektronische<br />
Bauteile, die ebenfalls auf den Magneten des Kolbens reagieren. Diese<br />
sind unempfindlicher gegenüber fremden Magnetfeldern, wie sie beispielweise<br />
bei elektrischen schweißanlagen auftreten.<br />
Eine <strong>and</strong>ere Form der berührungslosen Näherungsschalter sind induktive<br />
Sensoren. Mit ihnen lassen sich nur elektrisch leitfähige Materialien<br />
detektieren. Mit kapazitiven Näherungsschaltern lassen sich <strong>da</strong>gegen<br />
auch nichtmetallische Materialien.<br />
Die optische Näherungsschalter setzen optische und elektronische Mittel<br />
zur Objekterkennung ein. Dazu wird rotes oder infrarotes Licht verwendet.<br />
Besonders zuverlässige Quellen für rotes und infrarotes Licht<br />
sind Halbleiter-Leuchtdioden. Man unterscheidet Einweg-Lichtschranken,<br />
Reflex-Lichtschranken und Reflex-Lichttaster.<br />
Weiterhin werden berührungslose Schalter eingesetzt, die mit Ultraschall<br />
funktionieren.<br />
B1<br />
47
48<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Elektrische Schaltpläne werden im allgemeinen spannungslos gezeichnet.<br />
Wird jedoch ein mechanisch betätigter Taster oder Grenztaster in<br />
der Ausgangsstellung bereits betätigt, wird muss dies auch im Schaltplan<br />
<strong>da</strong>rgestellt werden.<br />
In der betätigten Schaltstellung sieht ein Schließerkontakt, beispielsweise<br />
eines Zylinderschalters, wie ein Öffner aus. Um Verwechslungen zu<br />
vermeiden, muss zur Kennzeichnung der Betätigung neben dem Kontakt<br />
ein offener Pfeil gezeichnet werden.<br />
Ein betätigter Öffner wird <strong>da</strong>gegen wie ein Schließer gezeichnet. Hier<br />
sind im betätigten Zust<strong>and</strong> die Kontakte verbunden. Auch hier muss zur<br />
Kennzeichnung der Betätigung neben dem Kontakt ein Pfeil gezeichnet<br />
werden.<br />
Bild 22: Betätigte Kontakte<br />
Schließer<br />
Schließer, betätigt<br />
Öffner<br />
Öffner, betätigt
1.8.3 Druckschalter<br />
Bild 23: Druckschalter<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Durch Eingabew<strong>and</strong>ler werden allgemein beliebige von Gebern erfaßte<br />
physikalische Größen, wie beispielsweise Druck, Weg, Volumenstrom<br />
oder Temperatur, in eine analoge oder digitale elektrische Größe umgew<strong>and</strong>elt.<br />
Druckschalter dienen als Überwachungs- und Steuergeräte. Sie können<br />
bei Erreichen eines vorgewählten Druckes Stromkreise öffnen oder schließen.<br />
Der Eingangsdruck wirkt auf eine Kolbenfläche. Die <strong>da</strong>raus resultierende<br />
Kraft wirkt gegen eine einstellbare Federkraft. Übersteigt der<br />
Druck die Federkraft, so bewegt sich der Kolben und betätigt den Kontaktsatz.<br />
Der pneumatische Druckschalter w<strong>and</strong>elt ein anstehendes pneumatisches<br />
Drucksignal in ein elektrisches Signal um. Der Druckschalter ist<br />
als Wechsler aufgebaut. Der hydraulische Druckschalter w<strong>and</strong>elt einen<br />
hydraulischen Druck in ein elektrisches Signal um. Wegen der in der<br />
Hydraulik üblichen höheren Drücke ist er insgesamt robuster aufgebaut.<br />
Bei Druckschaltern mit mechanisch betätigtem Kontaktsatz kann statt<br />
der Schraubenfeder eine Membran, ein Wellrohr oder eine Rohrfeder<br />
verwendet werden.<br />
1<br />
4<br />
2<br />
49
50<br />
Minos<br />
1.8.4 Meldegeräte<br />
Bild 24: Meldegeräte<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Im allgemeinen kann man zwischen optischen und akustischen Meldegeräten<br />
unterscheiden.<br />
Meldeleuchten können für die bessere Sichtbarkeit auch durch Vorsatzlinsen<br />
ergänzt werden. Zu den Meldeleuchten gehören grundsätzlich auch<br />
Leuchtdioden-Anzeigeelemente und Flüssigkristall-Anzeigegeräte.<br />
In der Elektrotechnik und ebenso in <strong>and</strong>eren Steuerungen werden die<br />
Meldeleuchten sehr oft zur Signalisierung von Betriebszuständen eingesetzt.<br />
Die nach VDE 0113 zu verwendenden Farben sind:<br />
Rot Gefahr oder Alarm<br />
Mit Meldeleuchten der Farbe Rot wird vor einer möglichen Gefahr oder<br />
einem Zust<strong>and</strong>, der sofortiges Eingreifen erfordert gewarnt. Solche Zustände<br />
können sein:<br />
– Druckabfall im Schmiersystem<br />
– Temperatur außerhalb vorgegebener (sicherer) Grenzen<br />
– Befehl, die Maschine zu stoppen (beispielsweise wegen Überlast)<br />
– wesentliche Teile der Ausrüstung wurden durch <strong>da</strong>s Ansprechen<br />
einer Schutzeinrichtung gestoppt<br />
– Gefahr durch sich bewegende Teile<br />
Leuchtmelder<br />
Leuchtmelder, blinkend<br />
Stellungsanzeiger<br />
Sichtmelder<br />
Hupe, Horn<br />
Summer<br />
Gong<br />
Klingel
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Gelb Vorsicht<br />
Minos<br />
Gelbe Meldeleuchten weisen hin auf Veränderung oder eine bevorstehende<br />
Änderung der Bedingungen. Dies kann beispielsweise sein:<br />
– Temperatur (oder Druck) weichen vom Normalpegel ab<br />
– Überlast, deren Dauer nur innerhalb beschränkter Zeit zulässig ist<br />
– automatischer Zyklus läuft<br />
Grün Sicherheit<br />
Grüne Meldeleuchten dienen der Anzeige eines sicheren Betriebszust<strong>and</strong>es<br />
oder der Freigabe des weiteren Betriebsablaufs. Dies kann sein:<br />
– Kühlflüssigkeit läuft<br />
– Automatische Kesselsteuerung eingeschaltet<br />
– Maschine fertig zum Start: alle notwendigen Hilfseinrichtungen<br />
funktionieren, die Einheiten befinden sich in der Ausgangsstellung<br />
und der hydraulische Druck oder die Ausgangsspannung eines<br />
Motorgenerators liegen innerhalb des vorgegebenen Bereiches<br />
– Zyklus beendet und Maschine bereit zu neuem Start<br />
Blau Spezielle Bedeutung<br />
Blaue Meldeleuchten dürfen jede beliebige Bedeutung haben, die nicht<br />
durch die <strong>and</strong>eren Farben abgedeckt sind. Dabei h<strong>and</strong>elt es sich um<br />
Informationen, die besonderen Anforderungen zugeordnet sind. Das kann<br />
beispielsweise sein:<br />
– Anzeige der Fernsteuerung<br />
– Wahlschalter in der Einricht-Stellung<br />
– eine Einheit in Vorwärtsstellung<br />
– Mikrovorschub eines Schlittens oder einer Einheit<br />
Weiss Keine spezielle Bedeutung<br />
Weisse Meldeleuchten sind für allgemeine Informationen geeignet. Sie<br />
dürfen angewendet werden, wenn bezüglich der Anwendung der drei<br />
Farben Rot, Gelb und Grün Zweifel bestehen, so beispielsweise als Bestätigung<br />
oder auch für:<br />
– Hauptschalter in EIN-Stellung<br />
– Wahl der Geschwindigkeit oder der Drehrichtung<br />
– nicht zum Arbeitszyklus gehörende Hilfseinrichtungen sind in Betrieb<br />
Akustische Meldegeräte, wie Sirenen, Wecker, Hupen, Gongs und Klingeln,<br />
werden häufig in Verbindung mit optischen Meldegeräten eingesetzt.<br />
Dabei soll <strong>da</strong>s akustische Signal unüberhörbar auf <strong>da</strong>s optische<br />
Signal aufmerksam machen.<br />
51
52<br />
Minos<br />
1.8.5 Relais und Schütze<br />
A1 A2 12 14 11<br />
Bild 25: Relais<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Ein Relais ist ein Schalter mit einem elektromagnetischen Antrieb. Relais<br />
werden vorallem in Steuerstromkreisen eingesetzt, aber auch in<br />
Schutzeinrichtungen.<br />
Schütze sind ebenfalls elektromagnetisch betätigt, werden aber als<br />
Leistungsschalter oder als Hilfsschütz verwendet. Mit ihnen werden in<br />
elektrischen Schaltungen beispielsweise Motoren oder elektrische Heizungen<br />
geschaltet.<br />
Relais bestehen aus einer Magnetspule mit einem Eisenkern. Wird die<br />
Spule von einem elektrischen Strom durchflossen, so bildet sich ein<br />
Magnetfeld aus. Dadurch wird <strong>da</strong>s bewegliche Joch an den Eisenkern<br />
gezogen. Über einen Hebel betätigt <strong>da</strong>s Joch die einzelnen Kontakte.<br />
Die Anschlüsse der Spule werden mit A1 und A2 bezeichnet. Die Anschlüsse<br />
der Kontakte bestehen aus zwei Ziffern. Die erste Ziffer bezeichnet<br />
fortlaufend die Kontakte. Die zweite Ziffer zeigt an, ob es sich<br />
um einen Öffner- oder Schließerkontakt h<strong>and</strong>elt. Die Ziffern 1 und 2 bezeichnen<br />
einen Öffner, die Ziffern 3 und 4 einen Schließer.<br />
Schütze haben drei Hauptkontakte. Diese werden mit den Ziffern 1 bis 6<br />
bezeichnet. Zusätzlich können Hilfskontakte vorh<strong>and</strong>en sein, die wie bei<br />
den Relais bezeichnet werden.<br />
Relais mit einem Wechslerkontakt<br />
A1<br />
A2<br />
A1<br />
A2<br />
12<br />
1<br />
2<br />
14<br />
11<br />
Schütz mit zwei Hilfskontakten<br />
3<br />
4<br />
5 13<br />
6<br />
14<br />
21<br />
22
Zeitrelais, anzugsverzögert<br />
K1T<br />
A1<br />
A2<br />
Bild 26: Zeitrelais<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
17<br />
18<br />
18<br />
25<br />
26<br />
Zeitrelais, rückfallverzögert<br />
K2T<br />
A1<br />
A2<br />
17<br />
25<br />
26<br />
A1 - A2<br />
17 - 18<br />
1<br />
0<br />
1<br />
0<br />
25 - 26 1<br />
0<br />
A1 - A2<br />
17 - 18<br />
1<br />
0<br />
1<br />
0<br />
25 - 26 1<br />
0<br />
Minos<br />
Ein Schütz wird ohne Stromfluß immer von einer Feder in die Ruhelage<br />
geschaltet. Bei Relais kommen Bauarten vor, bei denen nach Abschalten<br />
des Stromes die Schaltstellung erhalten bleibt. Solche Relais werden<br />
als verlinkt bezeichnet. Diese Funktion findet man beispielsweise in<br />
Stromstoßrelais, die durch einen Stromstoß eingeschaltet und erst durch<br />
einen weiteren Stromschoß wieder entriegelt werden.<br />
Eine besondere Gruppe von Relais sind die Zeitrelais. Es werden zwei<br />
Bauarten unterschieden. Die anzugsverzögerten Zeitrelais schalten ihre<br />
Kontakte erst nach einer bestimmten Zeit um.<br />
Die rückfallverzögerten Zeitrelais <strong>da</strong>gegen schalten sofort um, nach dem<br />
Ausschalten des Stromes bleiben ihre Kontakte jedoch noch eine bestimmte<br />
Zeit geschaltet.<br />
Im Symbol werden die Zeitrelais durch ein zusätzliches Quadrat gekennzeichnet.<br />
Bei den anzugsverzögerten Zeitrelais befinden sich zwei gekreuzte<br />
Linien in dem Quadrat, bei den rückfallverzögerten Zeitrelais ist<br />
dieses Quadrat schwarz ausgefüllt.<br />
Die Öffner- und Schließerkontakte werden mit den Ziffern 5 und 6 sowie<br />
7 und 8 bezeichnet. Ein Halbkreis am Symbol zeigt durch eine<br />
Falschirmwirkung die Verzögerung an. Der Kennzeichnung des Relais<br />
kann der Buchstabe T nachgestellt werden.<br />
t<br />
t<br />
53
54<br />
Minos<br />
1.9 Einfache Grundschaltungen<br />
1.9.1 Elektrische Selbsthaltung<br />
24V<br />
0V<br />
S1<br />
S2 K1<br />
K1<br />
Bild 27: Elektrische Selbsthaltung<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Ein Einsatzfall für Relais ist auch die elektrische Selbsthaltung. Hierbei<br />
wird kurz ein Taster betätigt und <strong>da</strong>s Relais zieht an. Mit einem Kontakt<br />
des Relais wird der Taster überbrückt, so <strong>da</strong>ss auch nach dem Loslassen<br />
des Tasters <strong>da</strong>s Relais weiterhin angezogen bleibt.<br />
Das Löschen der Selbsthaltung erfolgt durch einen zweiten Taster mit<br />
einem Öffnerkontakt. Durch <strong>da</strong>s Betätigen des Tasters wird die Stromzufuhr<br />
zum Relais unterbrochen und <strong>da</strong>s Relais fällt ab.<br />
Es gibt zwei grundsätzliche Schaltungsmöglichkeiten für die Anordnung<br />
der Kontakte und Taster. Wird jeweils nur ein Taster betätigt, so ist bei<br />
beiden Schaltungen kein Unterschied festzustellen.<br />
Werden jedoch gleichzeitig beide Taster betätigt, so wird bei der Schaltung<br />
„dominierend AUS“ durch den Öffnerkontakt des Tasters die Stromzufuhr<br />
zum Relais auf jeden Fall unterbrochen. Bei der Schaltungsvariante<br />
„dominierend EIN“ <strong>da</strong>gegen bleibt <strong>da</strong>s Relais angezogen.<br />
Da in der Elektrotechnik <strong>da</strong>s Ausschalten der Spannung aus Sicherheitsgründen<br />
absoluten Vorrang hat, sollte nur die Schaltungsvariante „dominierend<br />
AUS“ verwendet werden.<br />
dominierend AUS dominierend EIN<br />
K1<br />
H1<br />
24V<br />
0V<br />
S1<br />
K1<br />
S2<br />
K1<br />
K1<br />
H1
1.9.2 Schrittketten<br />
24V<br />
0V<br />
Löschende Schrittkette für 3 Schritte<br />
B1 K1 B2 K2 B3<br />
K6<br />
K2<br />
K1<br />
K1<br />
K3<br />
K2<br />
Bild 28: Schrittketten<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
K2<br />
K4<br />
K3<br />
K3<br />
Setzen<br />
24V<br />
0V<br />
Minos<br />
Für Ablaufsteuerungen werden häufig Schrittketten verwendet. Dabei<br />
werden Relais so mitein<strong>and</strong>er verschaltet, <strong>da</strong>ss sie der Reihe nach entsprechend<br />
des Ablaufes der Steuerung eingeschaltet werden.<br />
Ein Schritt kann <strong>da</strong>bei immer nur <strong>da</strong>nn ausgeführt werden, wenn der<br />
vorhergehende Schritt erreicht ist und eine Rückmeldung über die Ausführung<br />
dieses Schrittes erfolgt ist. In der Relaistechnik werden <strong>da</strong>bei<br />
die löschende und die stehende Schrittkette unterschieden.<br />
Bei der löschenden Schrittkette ist immer nur ein Schritt aktiv. Es ist ein<br />
zusätzlicher Kontakt zum Vorbereiten der Kette erforderlich. Dieser Setzimpuls<br />
muß vor jedem Einschalten der Schrittkette gegeben werden. Da<br />
bei Relais die Kontakte unterschiedliche Schaltzeiten haben, kann <strong>da</strong>durch<br />
die löschende Schrittkette stehen bleiben. Deshalb werden löschende<br />
Schrittketten vor allem bei der SPS-Programmierung verwendet.<br />
Bei der stehenden Schrittkette werden alle Schritte der Reihe nach eingeschaltet.<br />
Der letzte Schritt löscht die Selbsthaltung des ersten Relais,<br />
wodurch die gesamte Kette in den Ausgangszust<strong>and</strong> zurückfällt. Ein<br />
Setzimpuls ist nicht erforderlich. Bei Relaisschaltungen sollte immer diese<br />
Schrittkettenvariante eingesetzt werden.<br />
Stehende Schrittkette für 3 Schritte<br />
B1 K1 B2 K2 B3<br />
K6<br />
K1<br />
K1 K2<br />
K2<br />
K3<br />
K3<br />
55
56<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
1.9.3 Schaltpläne für Pneumatik und Hydraulik<br />
In der Elektropneumatik und der Elektrohydraulik ist es erforderlich, für<br />
jede Energieform einen eigenen Schaltplan zu zeichnen. In einem Schaltplan<br />
werden die pneumatischen oder hydraulischen Komponenten <strong>da</strong>rgestellt,<br />
während in dem zweiten Schaltplan die elektrischen Symbole<br />
gezeichnet werden.<br />
Ein Teil der Bauteile, wie beispielsweise Magnetspulen oder Zylinderschalter,<br />
sind in beiden Schaltplänen anzutreffen. Die Darstellung der<br />
Bauteile unterscheidet sich <strong>da</strong>bei nach dem verwendeten Schaltplan.<br />
Da gleiche Bauteile in den beiden Schaltplänen unterschiedlich <strong>da</strong>rgestellt<br />
sind, ist eine Zuordnung nur über die Bezeichnung des Bauteils<br />
möglich.<br />
Beide Schaltplanarten unterscheiden sich auch nach der Richtung des<br />
Energieflusses. In den elektrischen Schaltplänen fließt die Energie von<br />
oben nach unten. In den pneumatischen und hydraulischen Schaltplänen<br />
<strong>da</strong>gegen befindet sich die Energiequelle im unteren und die Antriebe<br />
im oberen Teil des Schaltplanes. Der Energiefluß verläuft somit von<br />
unten nach oben.<br />
Für die elektrische Schaltung wird häufig der Stromlaufplan in aufgelöster<br />
Darstellung verwendet. Dieser ermöglicht es, die Funktion der Steuerung<br />
gut zu verstehen. Die Spule und die Kontakte der Relais werden<br />
mit der gleichen Bezeichnung versehen.<br />
Die einzelnen Strompfade werden für ein besseres Verständnis der Schaltung<br />
von links beginnend numeriert. Dabei werden auch Strompfade mit<br />
Nummern versehen, die sich aus <strong>and</strong>eren Strompfaden abzweigen und<br />
nicht von der oberen Stromschiene bis nach unten durchgehend sind.<br />
Unterhalb der Relais können Kontakttabellen aufgeführt werden. Dort<br />
wird beschrieben, in welchen Strompfaden sich die Kontakte dieses Relais<br />
sich befinden. Bei großen Schaltplänen kann auf diese Weise auch auf<br />
Kontakte auf <strong>and</strong>eren Seiten des Schaltplanes verwiesen werden. Ein<br />
Auffinden der Kontakte eines Relais im Schaltplan wird <strong>da</strong>durch wesentlich<br />
vereinfacht.
Y1<br />
1V1<br />
Bild 29: Elektropneumatischer Schaltplan<br />
5<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Im Bild ist ein elektropneumatischer Schaltplan zu sehen. Der pneumatische<br />
Teil des Schaltplanes besteht hauptsächlich aus einem Ventil mit<br />
einer Magnetspule und einem Zylinder.<br />
Im elektrischen Schaltplan ist eine Selbsthaltung <strong>da</strong>rgestellt. Mit den<br />
beiden Tastern kann die Selbsthaltung gesetzt und gelöscht werden. Der<br />
Kontakt des Relais sorgt <strong>da</strong>für, <strong>da</strong>ss <strong>da</strong>s Relais nach einem Drücken<br />
des Schließerkontaktes weiterhin angezogen bleibt.<br />
Bei angezogenem Relais wird auch im rechten Strompfad der Stromkreis<br />
zu der Magnetspule geschlossen. Dieser Strompfad stellt die Signalausgabe<br />
<strong>da</strong>r. Die Zuordnung der Magnetspule zum pneumatischen<br />
Schaltplan geschieht durch die Bezeichnung „Y1“.<br />
Die Magnetspulen können zwar prinzipiell auch mit <strong>and</strong>eren Spannungen<br />
betrieben werden, häufig wird jedoch die gleiche Spannung wie im<br />
Steuerstromkreis verwendet.<br />
1A<br />
4 2<br />
1 3<br />
24V<br />
0V<br />
S1<br />
S2<br />
K1<br />
1 2 3<br />
S Ö<br />
2 –<br />
3 –<br />
K1<br />
K1<br />
Y1<br />
57
58<br />
Minos<br />
1.10 Schutzarten<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Elektrische Ströme und Spannungen sind nur an ihren Wirkungen zu<br />
erkennen. Direkt sind sie nicht wahrnehmbar. Deshalb sind, um eine<br />
Gefährdung durch elektrische Energie zu vermeiden, verschiedene Vorschriften,<br />
Bestimmungen und Normen zu beachten.<br />
Beim Schutz gegen unbeabsichtigte Berührung, gegen Fremdkörper und<br />
Wasser werden Gehäuse für elektrische Betriebsmittel in verschiedene<br />
Schutzarten eingeteilt. Diese Schutzarten werden in der DIN EN 60529<br />
beschrieben und durch die Buchstaben IP (engl. für international<br />
protection = internationaler Schutz) gekennzeichnet, gefolgt von zwei<br />
Kennziffern. Je nach Verwendungszweck und Einsatzort ist ein entsprechender<br />
Schutz erforderlich um zum einen Menschen vor möglichen<br />
Gefährdungen zu schützen und zum <strong>and</strong>eren die Funktion des Betriebsmittels<br />
sicherzustellen.<br />
Die erste Ziffer kennzeichnet den Schutz gegen unbeabsichtigtes Berühren<br />
und gegen Fremdkörper. Sie hat folgende Bedeutung:<br />
0 kein Schutz<br />
1 Schutz gegen Eindringen von Festkörpern größer als 50 mm (beispielsweise<br />
Arm, Bein, große Körperflächen)<br />
2 Schutz gegen Eindringen von Festkörpern größer als 12,5 mm<br />
(beispielsweise Finger)<br />
3 Schutz gegen Eindringen von Festkörpern größer als 2,5 mm<br />
(beispielsweise Werkzeuge, Drähte)<br />
4 Schutz gegen Eindringen von Festkörpern größer als 1,0 mm<br />
(Drähte)<br />
5 vollständiger Berührungsschutz und Schutz vor schädlichen Staubablagerungen<br />
im Inneren (staubgeschützt)<br />
6 vollständiger Berührungsschutz und Schutz gegen Eindringen von<br />
Staub (staubdicht)
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Die zweite Ziffer kennzeichnet den Schutz gegen <strong>da</strong>s Eindringen von<br />
Wasser mit schädlichen Folgen:<br />
0 kein Schutz<br />
1 Schutz gegen senkrecht fallende Tropfen (Tropfwasser)<br />
2 Schutz gegen schräg bis 15° fallende Tropfen (schrägfallendes<br />
Tropfwasser)<br />
3 Schutz gegen Wasser, <strong>da</strong>s bis 60° zur Senkrechten fällt (Sprühwasser)<br />
4 Schutz gegen Wasser, <strong>da</strong>s aus allen Richtungen spritzt<br />
(Spritzwasser)<br />
5 Schutz gegen Wasser aus dem Strahl einer Düse (Strahlwasser)<br />
6 Schutz gegen starkes Strahlwasser (Schutz gegen Überfluten)<br />
7 Schutz gegen Wasser bei zeitweiligem Untertauchen (Eintauchen)<br />
8 Schutz gegen Wasser bei <strong>da</strong>uerndem Untertauchen<br />
Bei Be<strong>da</strong>rf können noch weitere Buchstaben zur genaueren Beschreibung<br />
angefügt werden. Wird <strong>da</strong>gegen eine der beiden Ziffern nicht angegeben,<br />
ist sie durch den Buchstaben X zu ersetzten. Eine beispielsweise<br />
häufig vorkommende Schutzart bei Magnetspulen von Ventilen ist<br />
IP65.<br />
59
60<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
2 Speicherprogrammierbare Steuerungen<br />
2.1 Einleitung<br />
Minos<br />
Speicherprogrammierbare Steuerungen (abgekürzt SPS) werden in vielen<br />
Bereichen der Industrie für Steuerungs- und Regelungsaufgaben eingesetzt.<br />
Die heutige Entwicklung in der Automatisierungstechnik ist mit<br />
der SPS eng verbunden.<br />
Im englischen Sprachraum wird die SPS als „Programmable Logic<br />
Controller“ bezeichnet und dementsprechend mit PLC abgekürzt.<br />
Eine SPS besitzt Schnittstellen für die Eingabe und die Ausgabe von<br />
Signalen. An den Eingängen werden die unterschiedlichsten Sensoren<br />
angeschlossen. Diese Sensoren melden den aktuellen Zust<strong>and</strong> einer<br />
Maschine oder Anlage an die SPS. Mit ihren Ausgängen steuert die SPS<br />
die Aktoren der Maschine oder Anlage an.<br />
Somit überwacht die SPS die Fertigungsprozesse und steuert bzw. regelt<br />
sie. Viele Maschinen sind bereits so kompliziert, <strong>da</strong>ss sie ohne SPS<br />
nicht mehr betrieben werden können.<br />
Die Einsatzmöglichkeiten der SPS sind sehr vielfältig. Allgemein werden<br />
sie in der Automatisierungstechnik eingesetzt, wo sie technische Vorgänge<br />
überwachen, steuern und regeln. In vielen Fällen ersetzen sie<br />
<strong>da</strong>durch den Menschen.<br />
Beispiele für den Einsatz einer SPS sind die Steuerungen von Aufzügen<br />
oder Ampelanlagen. Aber auch Verpackungsmaschinen oder automatische<br />
Schweißanlagen können mit einer SPS gesteuert werden. Ein sehr<br />
wichtiges Einsatzgebiet sind die automatisch ablaufenden Fertigungen<br />
im Automobilbau.<br />
Durch verschiedene Programmierungen kann eine SPS an die unterschiedlichsten<br />
Anforderungen angepasst werden, ohne <strong>da</strong>ss wesentliche<br />
Änderungen am Aufbau der SPS notwendig werden.<br />
Mit einer einzigen SPS können problemlos mehrere hundert Sensoren<br />
erfasst und ebenso viele Aktoren angesteuert werden. Im Bereich von<br />
nur wenigen Ein- und Ausgängen ist allerdings auf die Wirtschaftlichkeit<br />
zu achten. Das Einschalten einer Lampe durch einen Taster könnte auch<br />
mit einer SPS gesteuert werden, jedoch wäre diese Lösung wesentlich<br />
teurer als eine einfache Verkabelung der Tasters mit der Lampe.<br />
61
62<br />
Minos<br />
2.1.1 Geschichte der SPS<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Vor der Entwicklung der SPS erfolgte die Ansteuerung von Maschinen<br />
und Anlagen vor allem mit Relaissteuerungen. Die Kontakte der Relais<br />
wurden parallel oder in Reihe geschaltet und somit der gewünschte Ablauf<br />
der Steuerung erreicht.<br />
Es wurden auch Steuerungen mit Druckluft aufgebaut. Wie bei den Relaissteuerungen<br />
wurden <strong>da</strong>bei boolsche Funktionen verwendet. Es war entweder<br />
ein Relais geschaltet oder abgefallen bzw. ein Druck war vorh<strong>and</strong>en<br />
oder nicht. Es gab aber auch Steuerungen, die mit analogen Werten<br />
arbeiteten.<br />
Diese Steuerungen werden heute als verbindungsprogrammierte Steuerungen<br />
bezeichnet. Durch <strong>da</strong>s feste Verdrahten der einzelnen Elemente<br />
war es aufwändig, bei einem Umbau der Maschine die Steuerung anzupassen.<br />
General Motors entwickelte 1968 die Grundlagen für eine Steuerung,<br />
die programmierbar ist. Zunächst wurden diese Steuerungen als PC für<br />
Programmable Computer bezeichnet. Da diese Abkürzung bald für Personal<br />
Computer verwendet wurde, änderte sich die Bezeichnung zu PLC.<br />
Im deutschen Sprachraum wird die Bezeichnung SPS für Speicherprogrammierbare<br />
Steuerung verwendet.<br />
Eine SPS enthält einen Mikroprozessor und Bausteine zum Speichern<br />
des Programmes. Die Programmierung kann in verschiedenen Sprachen<br />
erfolgen.<br />
Eine der ältesten Sprachen ist der Kontaktplan. Er ähnelt stark der amerikanischen<br />
Darstellung von elektrischen Schaltplänen. Dies war von<br />
Vorteil für die Techniker, die <strong>da</strong>s Programm ähnlich wie bei den gewohnten<br />
Stromlaufplänen entwickeln konnten. Der einfache Umstieg erleichterte<br />
den Einsatz der SPS.<br />
Ein weiterer Grund für den Einsatz des Kontakplanes war die <strong>da</strong>malige<br />
Darstellung der Zeichen auf Computermonitoren. Die Bildschirme arbeiteten<br />
nicht grafisch, wie <strong>da</strong>s heute üblich ist, sondern stellten nur Zeichen<br />
des Alphabetes <strong>da</strong>r. Mit runden und eckigen Klammern, schrägen,<br />
waagerechten und senkrechten Strichen ließ sich <strong>da</strong>s Programm trotzdem<br />
auf dem Bildschirm <strong>da</strong>rstellen.<br />
Weitere Sprachen waren die Anweisungsliste und der Funktionsplan. Die<br />
Anweisungsliste ist stärker maschinenorientiert, während der Funktionsplan<br />
eher eine grafische Darstellung ist.
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Wegen ihrer Vorteile verbreitete sich die SPS und die Prozessoren wurden<br />
immer leistungsfähiger. Zunächst wurden nur binäre Signale verarbeitet,<br />
später auch Zeiten, ganze Zahlen und Gleitkommazahlen. Dadurch<br />
wurde es auch möglich, analoge Werte zu verarbeiten.<br />
Im Laufe der Zeit gab es immer mehr Hersteller, die eine oder mehrere<br />
SPS-Systeme im Angebot hatten. Die Sprachen zum Programmieren<br />
wiechen teilweise vonein<strong>and</strong>er ab.<br />
Im Jahr 1993 wurde mit der internationalen Norm IEC 61131, zunächst<br />
als IEC 1131, eine einheitliche Sprache für die Programmierung einer<br />
SPS definiert. Mit dieser Norm ist es möglich, herstellerunabhängig eine<br />
SPS zu programmieren. Die meisten SPS-Systeme unterstützen diese<br />
Norm.<br />
Neben der Anweisungsliste AWL und dem Kontaktplan KOP wird heute<br />
auch die Funktionsbausteinsprache FBS eingesetzt. Für Ablaufsteuerungen<br />
eignet sich besonders die Ablaufsprache AS.<br />
Eine neuere Sprache ist auch der Strukturierte Text ST. Diese Sprache<br />
ist wie die Anweisungsliste textorientiert, jedoch werden keine maschinennahen<br />
Befehle verwendet. Strukturierter Text wird deshalb auch als höhere<br />
Programmiersprache bezeichnet.<br />
63
64<br />
Minos<br />
2.1.2 Vergleich von VPS und SPS<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Die verbindungsprogrammierte Steuerung VPS stellt eine Möglichkeit<br />
<strong>da</strong>r, Steuerungen und Regelungen in der Automatisierungstechnik zu<br />
programmieren. Diese Art der Programmierung wird auch als festverdrahtete<br />
Steuerung bezeichnet. Falsch ist die Bezeichnung Konventionelle<br />
Steuerung.<br />
Der Programmablauf wird durch eine feste Verbindung der einzelnen<br />
Bauelemente festgelegt. Die Verbindung kann <strong>da</strong>bei durch Verdrahten<br />
oder auch durch die Schaltung einer Leiterplatte erfolgen. Bei einer Änderung<br />
des Programmablaufes muß die Verdrahtung geändert werden.<br />
Zusätzlich ist es meistens erforderlich, die Bestückung mit den einzelnen<br />
Bauteilen zu verändern.<br />
Für aufwändige Automatisierungsaufgaben werden heute kaum noch<br />
verbindungsprogrammierte Steuerungen eingesetzt. In kleineren Anlagen<br />
werden sie aber weiterhin anzutreffen sein.<br />
Auch bei sicherheitsrelevanten Anwendungen wie beispielsweise Not-<br />
Aus werden weiterhin verbindungsprogrammierte Steuerungen verwendet.<br />
Diese Funktionen müssen auch bei einem Ausfall der SPS funktionieren.<br />
Aus diesem Grund werden verbindungsprogrammierte Steuerungen<br />
heute vorallem als Ergänzung von Steuerungen mit SPS angesehen.<br />
Bei einer speicherprogrammierten Steuerung ist <strong>da</strong>s eigentliche Programm<br />
für die Steuerung in der Software enthalten. Auch bei unterschiedlichen<br />
Programmversionen kann die Verdrahtung der SPS gleich bleiben.<br />
Beim Bau einer einzelnen Maschine ist der Zeitaufw<strong>and</strong> für <strong>da</strong>s Entwerfen<br />
und Aufbauen einer verbindungsprogrammierten Steuerung ähnlich<br />
hoch wie für <strong>da</strong>s Schreiben des Programmes für die SPS. Werden jedoch<br />
mehrere gleiche Maschinen gebaut, so muß <strong>da</strong>s Programm für die<br />
SPS nur einmal entwickelt werden. Der Verdrahtungsaufw<strong>and</strong> der SPS<br />
ist wesentlich geringer. Für <strong>da</strong>s Schalten größerer Spannungen oder<br />
Lastenn sind jedoch weiterhin Relais oder Schütze erforderlich.<br />
Aber auch bei unterschiedlichen Maschinen können bestimmte<br />
Programmbausteine der SPS-Programmierung wieder verwendet werden.<br />
Es ist aber auch möglich, die Programme bereits vor der Fertigstellung<br />
der Maschine zu testen.
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
2.1.3 Vorteile und Nachteile einer SPS<br />
Minos<br />
Zu den Vorteilen der SPS gehört <strong>da</strong>s einfache Ändern der Programme.<br />
Selten funktioniert eine Steuerung auf Anhieb perfekt. Das Anpassen an<br />
<strong>da</strong>s gewünschte Ergebnis erfolgt durch Ändern des Programmes eine<br />
Änderung an der Verdrahtung ist <strong>da</strong>bei nicht erforderlich.<br />
Der Be<strong>da</strong>rf an Material und Platz ist bei einer Steuerung mit einer SPS<br />
wesentlich geringer als bei einer Relaissteuerung. Zeiten und Zähler<br />
werden mit der Software realisiert, so <strong>da</strong>ss beispielsweise keine Zeitrelais<br />
erforderlich sind.<br />
Ein einmal geschriebenes Programm läßt sich beliebig oft kopieren. Bei<br />
der Herstellung mehrerer gleicher Steuerungen ist <strong>da</strong>s Programm nur<br />
einmal zu schreiben und kann <strong>da</strong>n die die jeweilige SPS geladen werden.<br />
Die ansonsten aufwändige Verdrahtung beschränkt sich auf <strong>da</strong>s<br />
Verdrahten der SPS. Das Übertragen der Programme kann elektronisch<br />
an jeden Platz der Erde erfolgen.<br />
Bei einem geschriebenen SPS-Programm ist es einfach möglich, zu den<br />
einzelnen Anweisungen Kommentare anzufügen. Das Programm kann<br />
<strong>da</strong>durch später wesentlich leichter verst<strong>and</strong>en werden.<br />
Durch <strong>da</strong>s vom Bau der Maschine unabhängige Erstellen des Programmes<br />
ist eine wesentliche Zeitersparnis möglich. Das Programm kann<br />
auch gleichzeitig von mehreren Gruppen erstellt und erst später zu einem<br />
Gesamtprogramm zusammengefügt werden. Durch die geringere<br />
Verdrahtung wird ebenfalls Zeit eingespart.<br />
Ein weiterer Vorteil der SPS ist die Möglichkeit der Fernwartung oder<br />
Ferndiagnose. Dadurch kann die Maschine oder Anlage auch von einem<br />
entfernten Ort gesteuert werden oder bei auftretenden Fehlern von außerhalb<br />
ohne den Besuch eines Technikers überprüft werden.<br />
Nicht ganz vernachlässigt werden sollte auch, <strong>da</strong>ss der Energieverbrauch<br />
einer SPS geringer ist als der einer Relaissteuerung.<br />
Zu den Nachteilen der SPS gehört, <strong>da</strong>ss der erstmalige Aufw<strong>and</strong> für<br />
Programmiergerät oder Software relativ hoch ist. Auch <strong>da</strong>s Personal zur<br />
Bedienung oder Programmierung muß höher qualifiziert sein.<br />
Auch für sehr kleine Anlagen sind Programmiergeräte, Maßnahmen zur<br />
Datensicherheit sowie allgemein Datenträger erforderlich. Da in eine SPS<br />
nur der maschinenlesbare Programmcode übertragen wird, muss <strong>da</strong>s<br />
originale Programm immer aufgehoben werden.<br />
65
66<br />
Minos<br />
2.2 Aufbau einer SPS<br />
2.2.1 Bauformen einer SPS<br />
Bild 29: Kompakt-SPS<br />
24 V<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Eine SPS kann für viele verschiedene Aufgaben eingesetzt werden. Je<br />
nach Einsatzfall werden jedoch bestimmte grundsätzliche Bauformen<br />
bevorzugt verwendet.<br />
Eine Kompakt-SPS besteht aus einem einzigen Bauteil. Sie hat nur eine<br />
geringe Anzahl von Ein- und Ausgängen. Meistens sind mehr Eingänge<br />
vorh<strong>and</strong>en als Ausgänge. So stehen beispielsweise 10 Eingängen 6<br />
Ausgänge gegenüber.<br />
Weitere Anschlüsse an der SPS sind für die Energieversorgung zuständig.<br />
Je nach Bauart wird die SPS mit 24 V oder mit 230 V betrieben. Bei<br />
der Verwendung von 230 V muß <strong>da</strong>bei ein Netzteil in der SPS integriert<br />
sein.<br />
Die Erweiterung der Anzahl der Ein- und Ausgänge ist häufig nicht möglich.<br />
Teilweise kann die SPS um ein zusätzliches <strong>Modul</strong> für einige weitere<br />
Anschlüsse erweitert werden.<br />
Eine Kompakt-SPS ist verhältnismäßig preiswert und kann deshalb vorallem<br />
in kleinen Anlagen eingesetzt werden.<br />
Eingänge<br />
Ausgänge
Netzteil Zentral-<br />
Einheit<br />
24 V<br />
Bild 30: <strong>Modul</strong>are SPS<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Eine modulare SPS besteht aus einem Gehäuse, in <strong>da</strong>s verschiedene<br />
Einsteckkarten eingeschoben werden können. Es sind mindestens Einsteckkarten<br />
für die Energieversorgung und für die eigentliche Recheneinheit<br />
der SPS erforderlich. Diese Karten werden als Netzteilkarte und<br />
Zentraleinheit bezeichnet.<br />
Die Anzahl der Ein- und Ausgänge wird durch die Anzahl der eingesteckten<br />
Karten bestimmt. Eine Eingangskarte hat üblicherweise 16 oder 32<br />
Eingänge. Die Ausgangskarten sind oftmals mit 8 oder 16 Ausgängen<br />
versehen. Die Karten mit weniger Ausgängen können <strong>da</strong>bei pro Ausgang<br />
einen größeren Strom liefern als Karten mit mehr Ausgängen. Der<br />
Einsatz von zusätzlichen Relais kann sich <strong>da</strong>bei teilweise erübrigen.<br />
Die Anzahl der maximal möglichen Ein- und Ausgänge wird neben der<br />
Kapazität der Zentraleinheit vor allem durch <strong>da</strong>s Gehäuse beschränkt.<br />
Bei einer größeren SPS sind problemlos mehrere hundert Ein- und Ausgänge<br />
möglich. Wie bei der Kompakten SPS sind auch hier Erweiterungen<br />
mittels zusätzlichem Gehäuse möglich.<br />
Eine modulare SPS kann durch <strong>da</strong>s Einstecken weiterer Karten leicht<br />
erweitert werden. Auch der Einsatz <strong>and</strong>erer Karten wie beispielsweise<br />
für analoge Ein- und Ausgänge ist möglich.<br />
Eingänge<br />
Ausgänge<br />
freie Steckplätze<br />
67
68<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Neben der klassischen SPS werden heutzutage auch immer mehr PCs<br />
für Steuerungsaufgaben eingesetzt. Allerdings besaßen ältere PCs oftmals<br />
noch nicht die Zuverlässigkeit, die von einer SPS gefordert wurde.<br />
Eine Möglichkeit besteht in dem Einsatz einer Slot-SPS. Dabei h<strong>and</strong>elt<br />
es sich um eine Einsteckkarte für einen normalen PC. Beim Betriebssystem<br />
des PCs kann es sich um Windows oder Linux h<strong>and</strong>eln.<br />
Die Slot-SPS hat ein eigenes Betriebssystem und arbeitet <strong>da</strong>her völlig<br />
unabhängig von der Software des PCs. Die Verbindung zu den Sensoren<br />
und Aktoren kann über ein Bus-System, wie beispielsweise Profibus,<br />
erfolgen.<br />
Verfügt die Slot-SPS über eine eigene Stromversorgung und Pufferbatterien,<br />
so kann die SPS auch <strong>da</strong>nn weiterarbeiten, wenn der PC ausfällt<br />
oder <strong>da</strong>s Betriebssystem abgestürzt ist. Zusätzlich kann die Slot-<br />
SPS wie auch eine herkömmliche SPS Daten zwischenspeichern und<br />
<strong>da</strong>durch einen korrekten Wiederanlauf durchführen.<br />
Die Slot-SPS kann über den Bus des Einsteckplatzen des PCs auch mit<br />
der Software auf dem PC Daten austauschen. Dadurch ist es möglich,<br />
den PC für Visualisierungsaufgaben zu nutzen. Auch <strong>da</strong>s Speichern von<br />
Produktions<strong>da</strong>ten kann auf dem PC erfolgen.<br />
Bei einer Slot-SPS ohne eigener Stromversorgung ist die Funktion der<br />
SPS abhängig vom störungsfreien Betrieb des PC. Ein Nachteil der Slot-<br />
SPS besteht auch <strong>da</strong>rin, <strong>da</strong>s diese früher für <strong>da</strong>s ISA-Bussystem der<br />
PCs ausgelegt waren. Ein Einsatz dieser Slot-SPS ist in neueren Rechnern<br />
nicht mehr möglich, weil diese nur noch über PCI-Steckplätze verfügen.<br />
Ein Umbau der Slot-SPS aus einem älteren Rechner in ein modernes<br />
Gerät kann somit nicht erfolgen.<br />
Das bedeutet, <strong>da</strong>ss bei der Anschaffung eines neuen PCs auch eine<br />
neue Slot-SPS eingesetzt werden muß. Allerdings profitiert die Slot-SPS<br />
auch von der höheren Geschwindigkeit des PCI-Busses. Eine schnellere<br />
Kommunikation mit den Hard- und Software des PCs ist <strong>da</strong>mit verbunden.<br />
Eine besondere Form einer SPS ist die sogenannte Busklemme. Sie<br />
wird wie eine normale Klemmleiste für digitale oder analoge Signale eingesetzt,<br />
verfügt aber bereits über Funktionen wie eine SPS. Die<br />
Haupfaufgabe besteht <strong>da</strong>bei <strong>da</strong>rin, eine Verbindung zu einem Bussystem<br />
herzustellen.
Bild 31: Soft-SPS<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Ein <strong>and</strong>erer Weg beim Einsatz von PCs für Steuerungsaufgaben besteht<br />
in dem Einsatz von einer Soft-SPS. Dabei h<strong>and</strong>elt es sich um eine<br />
reine Softwarelösung, die den Prozessor des PCs nutzt. Dabei muß sich<br />
die Soft-SPS die Prozessorleistung mit dem Betriebssystem und möglicherweise<br />
<strong>and</strong>erer Anwendersoftware teilen.<br />
Hierbei ergibt sich <strong>da</strong>s Problem, <strong>da</strong>ss für <strong>da</strong>s SPS-Programm eine<br />
Abarbeitung in Echtzeit gefordert wird. Aus dem Aufbau der Soft-SPS<br />
ergibt sich jedoch, <strong>da</strong>ss bei dem Ausfall eines Zusatzprogrammes die<br />
ganze Steuerung ausfällt. In sicherheitskritischen Bereichen werden<br />
deshalb Soft-SPS nicht eingesetzt.<br />
Häufig werden Soft-SPS als Industrie-PC aufgebaut. In Verbindung mit<br />
einem Touchscreen können die Abläufe günstig überwacht werden. Ein<br />
zusätzliches Programmiergerät ist nicht erforderlich.<br />
Die Programmierung einer Soft-SPS erfolgt ähnlich der Programmierung<br />
einer konventionellen SPS. Besonders bei Schulungen werden deshalb<br />
Soft-SPS gern eingesetzt.<br />
Touchscreen<br />
69
70<br />
Minos<br />
2.2.2 Funktion einer SPS<br />
Bild 32: Aufbau einer SPS<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
E 0.0 A 0.0<br />
E 0.7<br />
Spannungsversorgung<br />
Grundsätzlich ähnelt der Aufbau einer SPS einem gewöhnlichen Personalcomputer.<br />
Eine SPS besteht sowohl aus einer bestimmten Hardware<br />
sowie der <strong>da</strong>zugehörigen Software.<br />
Die Arbeitsweise der SPS erfolgt <strong>da</strong>bei nach dem EVA-Prinzip:<br />
E Eingabe<br />
V Verarbeitung<br />
A Ausgabe<br />
An den Eingängen werden die elektrischen Signale der Sensoren oder<br />
allgemein der Signalglieder entgegengenommen. Dabei erfolgt eine galvanische<br />
Trennung der Signale mittels Optokopplern. Dadurch wird verhindert,<br />
<strong>da</strong>ss zu hohe Spannungen in die SPS gelangen und dort zu<br />
Defekten führen.<br />
In der Zentraleinheit erfolgt die Verarbeitung der Daten. Die eigentliche<br />
Rechenarbeit wird von der CPU, dem Hauptprozessor, übernommen.<br />
Weiterhin befindet sich in der Zentraleinheit der Speicher der SPS. Dieser<br />
wird in ROM und RAM unterschieden.<br />
Der RAM ist ein Speicher, aus dem gelesen werden kann und in dem<br />
Daten abgelegt, also gespeichert werden können.<br />
Schnittstelle für Programmierung<br />
E V<br />
A<br />
galvanische Trennung<br />
galvanische Trennung<br />
Eingänge Zentraleinheit Ausgänge<br />
Netzteil<br />
A 0.7
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Die im RAM gespeicherten Daten gehen verloren, sobald die elektrische<br />
Energieversorgung abgeschaltet ist. Dafür kann <strong>da</strong>s Lesen und Schreiben<br />
der Daten sehr schnell erfolgen.<br />
Der ROM ist ein Speicher, aus dem nur gelesen werden kann. Hier befindet<br />
sich <strong>da</strong>s Betriebssystem der SPS. Die Daten im ROM bleiben auch<br />
erhalten, wenn keine elektrische Energie anliegt.<br />
Eine besondere Form des ROM ist der EEPROM. Dies ist ein elektrisch<br />
löschbarer Speicher. Damit ist es möglich, neuere Varianten des Betriebssystems<br />
in die SPS zu laden. Auch kann <strong>da</strong>s Programm der SPS<br />
hier abgelegt werden, <strong>da</strong>mit es bei einem Spannungsausfall weiterhin in<br />
der SPS vorh<strong>and</strong>en ist. Das Lesen und Schreiben in diesen Speicher<br />
erfolgt jedoch wesentlich langsamer als in den RAM. Auch die Anzahl<br />
der Schreib- und Lesezyklen ist geringer.<br />
Ein weiterer Best<strong>and</strong>teil der Zentraleinheit ist der Taktgeber. Er bestimmt,<br />
mit welcher Geschwindigkeit die einzelnen Bauteile der SPS, besonders<br />
der Hauptprozessor, arbeiten.<br />
Eingänge, die besonders schnell auf <strong>da</strong>s Programm der SPS wirken,<br />
werden als Interrupteingänge bezeichnet. Diese sind oftmals auf der<br />
Zentraleinheit zu finden.<br />
An der Zentraleinheit befindet sich auch eine Schnittstelle zum Einspielen<br />
des Programmes. Je nach Modell der SPS ist dies eine serielle Schnittstelle<br />
oder ein Ethernetanschluß für ein Netzwerkkabel. Über diese<br />
Schnittstelle können auch Daten aus der SPS ausgelesen werden.<br />
Die Ausgänge sind wie die Eingänge galvanisch vom Rest der SPS getrennt.<br />
Dies geschieht entweder durch die Kontakte von Relais oder durch<br />
Optokoppler bei Ausgängen, die durch Transistoren geschaltet werden.<br />
Anstelle der Ausgangskarten für digitale Ausgänge oder zusätzlich zu<br />
diesen ist auch der Einsatz von Ausgangskarten für analoge Ausgänge<br />
möglich. Die Ansteuerung von Bussystemen erfolgt über Bus-Master.<br />
Das Netzteil versorgt die gesamte SPS mit elektrischer Energie. Entweder<br />
wird <strong>da</strong>s Netzteil mit 230 V oder mit 24 V versorgt. Im Netzteil wird<br />
diese Spannung oft auf 5 V für die Zentraleinheit heruntergesetzt. Um<br />
Spannungsunterbrechungen auszugleichen kann <strong>da</strong>s Netzteil mit einer<br />
Pufferbatterie versehen sein.<br />
Die Unterteilung in die einzelnen Best<strong>and</strong>teile ist bei einer SPS mit Einsteckkarten<br />
besonders gut zu erkennen. Bei <strong>and</strong>eren Bauarten ist die<br />
Unterscheidung nicht mehr so einfach. Trotzdem sind jedoch die einzelnen<br />
Best<strong>and</strong>teile vorh<strong>and</strong>en.<br />
71
72<br />
Minos<br />
2.2.3 Programmablauf an einer SPS<br />
Eingänge<br />
lesen<br />
Bild 33: Prinzip der Programmabarbeitung<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Das Programm für eine SPS wird an einem Programmiergerät erstellt.<br />
Häufig h<strong>and</strong>elt es sich <strong>da</strong>bei um einen normalen PC. Anschließend wird<br />
<strong>da</strong>s Programm in die SPS geladen und diese in den Modus „RUN“ gesetzt.<br />
Damit beginnt <strong>da</strong>s Abarbeiten des Programms.<br />
Das Programm besteht aus einzelnen Anweisungen, die nachein<strong>and</strong>er<br />
ausgeführt werden. Je nach Programm können Sprünge auftreten, bei<br />
denen Teile des Programms übergangen werden.<br />
Nachdem die letzte Anweisung durchgeführt wurde beginnt <strong>da</strong>s Programm<br />
wieder am Anfang. Dieses Vorgehen wird als zyklisch-serielle<br />
Arbeitsweise bezeichnet.<br />
Das Abarbeiten des Programms wird erst beendet, wenn die SPS in den<br />
Modus „STOP“ geschaltet wird oder bis ein Fehler auftritt.<br />
Weiterhin werden vor der ersten Anweisung alle Eingänge gelesen und<br />
abgespeichert. Ändern sich die Eingänge während des Programmablaufes,<br />
so wird dies nicht berücksichtigt. Nach der letzten Anweisung<br />
werden <strong>da</strong>nn die Ausgänge gesetzt. Auch diese bleiben bis zum nächsten<br />
Programmende unverändert.<br />
Daraus ergibt sich eine Zykluszeit, die für <strong>da</strong>s einmalige Durchlaufen<br />
des Programmes notwendig ist. Ein neu gesetzter Eingang wird somit<br />
erst nach Ablauf dieser Zykluszeit an einen Ausgang weitergereicht.<br />
Die Zykluszeit ist von der Anzahl und der Art der Anweisungen abhängig.<br />
Auch die Gechwindigkeit des Prozessors beeinflusst die Länge eines<br />
Zyklusses. Die Zykluszet bewegt sich <strong>da</strong>bei in einer Größenordnung von<br />
wenigen Millisekunden.<br />
Anweisungen<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516<br />
Sprung<br />
Ausgänge<br />
setzen
2.3 Grundlagen der Digitaltechnik<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Um eine SPS programmieren zu können sind allgemeine Grundkenntnisse<br />
auf dem Gebiet der Automatisierungstechnik Voraussetzung. Auch<br />
sind Kenntnisse im Umgang mit einem PC oder einem Programmiergerät<br />
erforderlich. Für den Umgang mit dem PC werden Erfahrungen mit dem<br />
Betriebssystem des Computers benötigt.<br />
Die Grundlagen für die Programmierung und Funktion einer SPS ist in<br />
der Mathematik zu finden. Dabei sollen zunächst die verschiedenen<br />
Zahlensysteme betrachtet werden.<br />
Für den Menschen verständlich ist <strong>da</strong>s Dezimalsystem, <strong>da</strong>s aus den Ziffern<br />
0 bis 9 besteht. Die grundlegenden Rechenoperationen wie Addition,<br />
Subtraktion, Multiplikation , Division und <strong>da</strong>s Bilden von Potenzen<br />
sind <strong>da</strong>für allgemein bekannt.<br />
Ein <strong>and</strong>eres und älteres Zahlensystem basiert auf der Zahl 12. Auch<br />
heute noch werden zwölf Teile als ein Dutzend bezeichnet. Unbekannter<br />
ist schon die Bezeichnung Schock, hier h<strong>and</strong>elt es sich um fünf Dutzend,<br />
also 60 einzelne Teile. Ein Tag besteht aus zweimal zwölf Stunden<br />
und jede Stunde aus 60 Minuten. Auch bei der Einteilung eines Kreises<br />
in Winkelgrade ist die 60 zu finden.<br />
Mit diesen Zahlensystemen kann eine SPS aber nicht arbeiten. Für sie<br />
gibt es nur die beiden Zustände 0 und 1. Dies bedeutet, <strong>da</strong>ss ein Signal<br />
vorh<strong>and</strong>en ist oder nicht. Die „0“ entspricht dem Signalzust<strong>and</strong> „AUS“<br />
und die „1“ dem Signalzust<strong>and</strong> „EIN“. Es werden aber auch die Zeichen<br />
„L“ und „H“ verwendet. Diese stehen im englischen für low und high.<br />
Dieses Zahlensystem wird als binäres Zahlensystem bezeichnet. Weiterhin<br />
findet <strong>da</strong>s Hexadezimalsystem mit der Zahl 16 als Basis Verwendung.<br />
Eine dritte Variante ist <strong>da</strong>s BCD Zahlensystem.<br />
Das Verständnis dieser Zahlensysteme benötigt man bei vielen Anwendungen,<br />
beispielsweise auch bei dem Aufbau einer Schaltwerttabelle,<br />
beim elektronischen Rechnen oder bei Codierungsproblemen in der Programmiersprache<br />
der SPS.<br />
Es ist <strong>da</strong>bei gleichgültig, ob die SPS einen Fahrstuhl steuert, die Klimaanlage<br />
eines Gebäudes regelt oder in der Fertigung einer Maschine die<br />
erforderlichen Befehle erteilt. Die Grundlage ist immer <strong>da</strong>s binäre Zahlensystem.<br />
73
74<br />
Minos<br />
2.3.1 Bit und Byte<br />
Bit<br />
Byte<br />
Wort<br />
Doppelwort<br />
1<br />
Bild 34: Bits und Bytes<br />
10101101<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Bit ist die Abkürzung für „binary digit“. Es ist die kleinst mögliche<br />
Informationseinheit. Ein Bit kann nur die beiden Zustände „0“ oder „1“<br />
haben. In elektrischen teuerungen bedeutet dies, ein Strom oder eine<br />
Spannung ist vorh<strong>and</strong>en oder nicht.<br />
Informationen können aus mehreren Bits bestehen. Die Zusammenfassung<br />
von acht Bits wird als Byte bezeichnet. Dabei hat <strong>da</strong>s Bit, <strong>da</strong>s am<br />
weitesten rechts steht, die geringste Wertigkeit und <strong>da</strong>s links stehende<br />
Bit die höchste Wertigkeit.<br />
Die acht Bits eines Bytes können auch in zwei Vierergruppen unterteilt<br />
werden. Diese beiden Vierergruppen werden als Nibbles bezeichnet.<br />
Während mit einem Bit nur die beiden Zustände 0 und 1 <strong>da</strong>rgestellt werden<br />
können, kann ein Nibble 16 verschiedene Zustände haben. Dementsprechend<br />
kann ein Byte, <strong>da</strong>s aus zwei Nibbles besteht, 256 verschiedene<br />
Zustände annehmen. Die Unterteilung eines Bytes in zwei<br />
Nibbles wird beim Hexadezimalsystem deutlich werden.<br />
Für die Darstellung komplexerer Informationen werden zwei Bytes<br />
zusammengefasst und als Wort bezeichnet. Ein Wort umfasst somit insgesamt<br />
16 Bits. Zwei Wörter oder vier Bytes wiederum ergeben ein<br />
Doppelwort. Dieses umfasst somit 32 einzelne Bits.<br />
1001100111100100<br />
11001011001110110110011010010110<br />
U, I<br />
H<br />
L<br />
vier Bit<br />
1 0 1 1<br />
t
2.3.2 Zahlensysteme<br />
Beispiel<br />
Beispiel<br />
2.3.3 Binärsystem<br />
Beispiel<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Zahlensysteme werden durch drei Merkmale beschrieben, der Basis oder<br />
Grundzahl, den einzelnen Ziffern und dem Stellenwert der Ziffern.<br />
Das Dezimalsystem hat als Basis die 10. Es existieren die einzelnen<br />
Ziffern von 0 bis 9. Je nach dem Stellenwert werden diese Ziffern mit den<br />
Potenzen von 10 multipliziert.<br />
Die Zahl 247 setzt sich zusammen aus 2 · 10 2 + 4 · 10 + 7 · 1. Die Stellen<br />
werden auch als Hunderter, Zehner und Einer bezeichnet.<br />
Bei den <strong>and</strong>eren Zahlensystemen wird als Basis jeweils eine <strong>and</strong>ere Zahl<br />
verwendet. Bei Binärzahlen ist dies die 2 und bei Hexadezimalzahlen<br />
die 16. Bei der Verwendung von mehreren Zahlensystemen ist unbedingt<br />
<strong>da</strong>rauf zu achten, welches Zahlensystem verwendet wird.<br />
Die Zahlensysteme werden <strong>da</strong>bei wie folgt bezeichnet. Das Dezimalsystem<br />
mit einer tiefgestellten 10. Das Binärsystem mit einer tiefgestellten<br />
2. Das Hexadezimalsystem mit einer tiefgestellten 16. Im BCD-Code mit<br />
einem tiefgestellten BCD.<br />
Dezimalsystem 247 10 .<br />
Binärsystem 1010 2 .<br />
Hexadezimalsystem 8AC3 16 .<br />
BCD-Code 1101 1010 0110 BCD .<br />
Das Binärsystem beruht auf der Basis 2. Somit gibt es nur die Ziffern 0<br />
und 1. Zur besseren Übersicht werden diese in Vierergruppen angeordnet.<br />
1110 1001 0010 0101<br />
Von recht nach links haben die Stellen die Wertigkeit 1, 2, 4 und 8.<br />
Eine binäre Zahl, die aus vier Einsen besteht, hat also den dezimalen<br />
Wert 15. Die größte dezimale Zahl, die sich im binären System aus<br />
acht Stellen bilden läßt, ist 255.<br />
Es läßt sich <strong>da</strong>bei erkennen, <strong>da</strong>ß im binären Zahlensystem bedeutend<br />
mehr Stellen benötigt werden als bei einer gleich großen dezimalen<br />
Zahl. Daraus ergibt sich auch, <strong>da</strong>ss für die Programmierung mit größeren<br />
Zahlen ein Byte nicht ausreichend ist. Für diese größeren Zahlen<br />
werden binäre Zahlen mit 16 oder 32 Stellen verwendet.<br />
Ein Wort mit 16 Stellen kann dezimale Zahlen von 0 bis 65 535 <strong>da</strong>rstellen,<br />
<strong>da</strong>s Doppelwort mit 32 Stellen sogar dezimale Zahlen von 0 bis<br />
4 294 967 295.<br />
75
76<br />
Minos<br />
Beispiel<br />
Beispiel<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Bei den bisherigen Zahlen h<strong>and</strong>elte es sich nur um positive Zahlen. Für<br />
die Darstellung bei der Programmierung von negativen Zahlen wird vereinbart,<br />
<strong>da</strong>ss <strong>da</strong>s höchstwertige Bit <strong>da</strong>s Vorzeichen festlegt.<br />
Als Methode für die Kennzeichnung negativer Zahlen wird die Zweierkomplement-Methode<br />
verwendet. Negative Zahlen werden <strong>da</strong>bei so <strong>da</strong>rgestellt,<br />
<strong>da</strong>ss sich bei der Addition mit einer betragsgleichen positiven<br />
Zahl Null ergibt.<br />
Bei positiven Zahlen hat <strong>da</strong>s am weitesten links stehende Bit den Wert<br />
0, während bei einer negativen Zahl dort eine 1 steht. Dieses Bit wird<br />
auch als Vorzeichenbit VZ bezeichnet.<br />
Das Umrechnen einer positiven Zahl in eine negative Zahl mit dem<br />
betragsgleichen Wert erfolgt durch die Bildung des Zweierkomplements.<br />
Dazu werden alle einzelnen Bits negiert. Es wird also aus allen Ziffern<br />
mit der 1 eine 0 gemacht und umgekehrt. Zuletzt wird eine binäre 1 zum<br />
Ergebnis hinzugezählt.<br />
Umw<strong>and</strong>lung der dezimalen Zahl 5 in die dezimale Zahl –5:<br />
5 10 = 0101 2<br />
0101 2 negieren zu 1010 2<br />
1 2 addieren 1010 2 + 1 2 = 1011 2<br />
1011 2 = –5 10<br />
Die größte positive Zahl ist somit erreicht, wenn alle Stellen mit Ausnahme<br />
der ganz links stehenden Stelle mit Einsen besetzt sind. Für eine 8-<br />
Bit-Zahl ist <strong>da</strong>s also 0111 1111 2 . In der dezimalen Darstellung entspricht<br />
<strong>da</strong>s der Zahl +127 10 .<br />
Die größte negative Binärzahl ist <strong>da</strong>gegen erreicht, wenn die erste Stelle<br />
mit dem höchstwertigen Bit den Wert Eins hat und alle nachrangigen<br />
Stellen mit Null besetzt sind. Bei den 8-Bit-Zahlen ist dies die Zahl<br />
1000 0000 2 , was im dezimalen Zahlensystem der Zahl –128 10 entspricht.<br />
Dezimalzahl: 25 entspricht 8-Bit-Zahl: 0001 1001<br />
Dezimalzahl: –25 entspricht 8-Bit-Zahl: 1110 0111<br />
Als Ergänzung ist anzumerken, <strong>da</strong>ss bei einer Addition der beiden Zahlen<br />
alle Stellen zu Null werden und <strong>da</strong>s hier nicht mehr <strong>da</strong>rstellbare neunte<br />
Bit den Übertrag 1 hat.
2.3.4 Hexadezimalsystem<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Zum besseren Verständnis sind noch einmal in einer Übersicht die positiven<br />
und negativen Zahlenwerten im Binärsystem für ganzzahlige vierstellige<br />
Binärzahlen aufgeführt.<br />
positive Dezimalzahl positive Dualzahl<br />
0 0000<br />
1 0001<br />
2 0010<br />
3 0011<br />
4 0100<br />
5 0101<br />
6 0110<br />
7 0111<br />
negative Dezimalzahl negative Dualzahl<br />
-1 1111<br />
-2 1110<br />
-3 1101<br />
-4 1100<br />
-5 1011<br />
-6 1010<br />
-7 1001<br />
-8 1000<br />
Das Hexadezimalsystem verwendet die Basis 16. Zur Darstellung der<br />
einzelnen Ziffern werden neben den bekannten Ziffern von 0 bis 9 die<br />
Buchstaben A, B, C, D, E und F verwendet.<br />
Die Buchstaben haben <strong>da</strong>bei die Werte 10 bis 15 im dezimalen Zahlensystem.<br />
Die Stellen im Hexadezimalsystem haben von rechts beginnend die Werte<br />
16 0 = 1, 16 1 = 16, 16 2 = 256 und entsprechend für die nächsten Stellen.<br />
Das Hexadezimalsystem wird benutzt, um mit möglichst wenig Ziffern<br />
große Zahlen <strong>da</strong>rzustellen. Jede Ziffer entspricht <strong>da</strong>bei einem Nibble,<br />
also einer vierstelligen Binärzahl. Mit zwei Ziffern kann im Hexadezimalsystem<br />
somit ein ganzes Byte <strong>da</strong>rgestellt werden, wozu im Binärsystem<br />
acht Stellen erforderlich wären.<br />
Ein Byte besteht aus 8 Bit und wird beispielsweise mit 1111 1111 <strong>da</strong>rgestellt.<br />
Die gleiche Zahl in der hexadezimalen Darstellung wird FF geschrieben.<br />
In der Steuerungstechnik wird <strong>da</strong>s Hexadezimalsystem auch bei der Einstellung<br />
von Zahlenwerten verwendet. Entsprechend sind neben den<br />
Ziffern 0 bis 9 auch die für <strong>da</strong>s Hexadezimalsystem notwendigen Buchstaben<br />
auf der Eingabetastatur vorh<strong>and</strong>en.<br />
77
78<br />
Minos<br />
2.3.5 BCD-Zahlensystem<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
In der Tabelle werden die einstelligen Zahlen des Hexadezimalsystems<br />
und ihre entsprechenden Werte im dezimalen und binären Zahlensystem<br />
aufgeführt.<br />
Hexadezimalzahl Dezimalzahl Binärzahl<br />
0 16 = 0 10 = 0000 2<br />
1 16 = 1 10 = 0001 2<br />
2 16 = 2 10 = 0010 2<br />
3 16 = 3 10 = 0011 2<br />
4 16 = 4 10 = 0100 2<br />
5 16 = 5 10 = 0101 2<br />
6 16 = 6 10 = 0110 2<br />
7 16 = 7 10 = 0111 2<br />
8 16 = 8 10 = 1000 2<br />
9 16 = 9 10 = 1001 2<br />
A 16 = 10 10 = 1010 2<br />
B 16 = 11 10 = 1011 2<br />
C 16 = 12 10 = 1100 2<br />
D 16 = 13 10 = 1101 2<br />
E 16 = 14 10 = 1110 2<br />
F 16 = 15 10 = 1111 2<br />
Die Abkürzung BCD steht für binär codierte Dezimalzahl. Dabei wird jede<br />
Ziffer einer Dezimalzahl unter Benutzung der binären Zeichen 0 und 1<br />
kodiert. Für die Kodierung der Dezimalziffern 0 bis 9 benötigt man im<br />
binären Zahlensystem vier Stellen. Diese vier zusammengehörenden<br />
Binärstellen werden als Nibble oder auch als Tetrade bezeichnet.<br />
Für BCD-Zahlen gibt es keine bestimmte Norm oder einen besonderen<br />
Datentyp. Am häufigsten wird der 8-4-2-1-Code verwendet. Die Ziffernfolge<br />
8-4-2-1 steht <strong>da</strong>bei für die Werte der Stellen und ist gleich dem<br />
Wert der Stellen im Hexadezimalsystem.<br />
Allerdings werden die hexadezimalen Zeichen A bis F nicht verwendet.<br />
BCD-Zahlen sind somit eine Teilmenge der Hexadezimalzahlen, bei der<br />
nur die Ziffern 0 bis 9 benutzt werden. Dezimale Zahlen werden also so<br />
in binäre Werte umgew<strong>and</strong>elt, <strong>da</strong>ss jede Vierergruppe der binären<br />
Zeichenfolge einer Dezimalzahl entspricht. Dies verbessert die Lesbarkeit<br />
der Zahlen.<br />
Die nicht verwendeten Zeichen stellen keine gültigen BCD-Zahlen <strong>da</strong>r.<br />
Sie werden als Pseudotetraden bezeichnet und in manchen Systemen<br />
zur Kodierung von Vorzeichen, Überträgen oder Kommata verwendet.
Beispiel<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Werden mehrstellige Dezimalzahlen im BCD-Code <strong>da</strong>rgestellt, so werden<br />
die Vierergruppen einfach hinterein<strong>and</strong>er gesetzt. Dabei können die<br />
Vierergruppen durch ein Leerzeichen getrennt werden.<br />
Darstellung der Dezimalzahl 3752 im BCD-Code:<br />
0011 0111 0101 0010 oder 0011011101010010<br />
Da ein Byte aus acht Bits besteht, können mit einem Byte zwei Dezimalziffern<br />
<strong>da</strong>rgestellt werden. Werden die beiden Hälften eines Bytes mit je<br />
einer BCD-Zahl belegt, so wird dies als gepackte BCD-Zahl bezeichnet.<br />
Werden <strong>da</strong>gegen die vier Bits einer BCD-Zahl jeweils in den niederwertigen<br />
Bits eines Bytes kodiert und die restlichen vier Bits mit Nullen<br />
aufgefüllt, so spricht man <strong>da</strong>gegen von einer ungepackten BCD-Zahl.<br />
In der Tabelle ist eine Übersicht über die dezimalen Ziffern von 0 bis 9<br />
und die <strong>da</strong>zugehörigen BCD-Zahlen im 8-4-2-1-Code aufgeführt:<br />
Dezimalzahl BCD-8421-Zahl<br />
0 0000<br />
1 0001<br />
2 0010<br />
3 0011<br />
4 0100<br />
5 0101<br />
6 0110<br />
7 0111<br />
8 1000<br />
9 1001<br />
Die folgende Kombinationen werden nicht verwendet:<br />
Dezimalzahl BCD-8421-Zahl<br />
10 1010<br />
11 1011<br />
12 1100<br />
13 1101<br />
14 1110<br />
15 1111<br />
Viele Mikroprozessoren können wahlweise in BCD-Arithmetik rechnen.<br />
Dies wird durch Setzen eines Flags im Statusregister des Prozessors<br />
erreicht.<br />
Der Code findet auch in Steuerungssystemen beispielsweise zur Ansteuerung<br />
von LCD- oder LED-Zahlendisplays Anwendung.<br />
79
80<br />
Minos<br />
2.3.6 Ganzzahlen<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Ganzzahlen sind, wie der Name sagt, ganze Zahlen im Bereich der Binärzahlen.<br />
Bei der Programmierung wird dieser Datentyp als INTEGER<br />
bezeichnet und mit INT abgekürzt.<br />
Der Datentyp INTEGER kann grundsätzlich Zahlen mit oder ohne Vorzeichen<br />
beinhalten. Zahlen ohne Vorzeichen werden als unsigned IN-<br />
TEGER bezeichnet, Zahlen mit Vorzeichen als signed INTEGER. Das<br />
Bit für <strong>da</strong>s Vorzeichen ist immer <strong>da</strong>s höchstwertigste Bit, also <strong>da</strong>s Bit,<br />
was am weitesten links steht.<br />
H<strong>and</strong>elt es sich um eine vorzeichenbehaftete Zahl, so kann an diesem<br />
links stehenden Bit sofort erkannt werden, ob es sich um eine positive<br />
oder negative Zahl h<strong>and</strong>elt. Bei der negativen Zah ist dieses Bit gleich<br />
Eins.<br />
Das ganz links stehende, also höchstwertigste Bit wird auch als most<br />
significant bit, abgekürzt MSB, bezeichnet. Das ganz rechts stehende<br />
Bit, <strong>da</strong>s niedrigwertigste, wird dementsprechend least significant bit, abgekürzt<br />
LSB, genannt.<br />
Integerzahlen können aus verschieden langen Bitfolgen bestehen. Eine<br />
Integerzahl, die aus einem Byte besteht, hat acht einzelne Bits. Bei vorzeichenlosen<br />
Integerzahlen können alle acht Bits für den Wert benutzt<br />
werden, bei vorzeichenbehafteten Integerzahlen nur sieben.<br />
Somit ergeben sich für Integerzahlen mit der Länge eines Bytes folgende<br />
mögliche dezimale Zahlenbereiche:<br />
mit Vorzeichen –128 bis 127<br />
ohne Vorzeichen 0 bis 255<br />
Integerzahlen, die eine Datenlänge von 16 Bits, also zwei Bytes, haben,<br />
werden als Wort bezeichnet. Sie erreichen einen wesentlich größeren<br />
Zahlenumfang. Er liegt in folgenden dezimalen Bereichen:<br />
mit Vorzeichen –32 768 bis 32 767<br />
ohne Vorzeichen 0 bis 65 535<br />
Beträgt die Datenlänge 32 Bit, so werden diese als Doppelwort oder auch<br />
Doppelinteger bezeichnet. Hier ist der dezimale Zahlenbereich wie folgt:<br />
mit Vorzeichen –2 147 483 648 bis 2 147 483 647<br />
ohne Vorzeichen 0 bis 4 294 967 295<br />
Noch größere Zahlenbereiche können mit 64 Bit langen oder mit 128 Bit<br />
langen Integerzahlen erreicht werden.
Beispiel<br />
2.3.7 Gleitkommazahlen<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Die Umw<strong>and</strong>lung einer vorzeichenbehafteten Integerzahl in eine Dezimalzahl<br />
wird wie folgt durchgeführt:<br />
Integerzahl: 0000 0000 0010 1100<br />
Dezimalzahl: +(32 + 8 + 4) = +44<br />
Integerzahl: 1111 1111 1101 0100<br />
Dezimalzahl: –((32 + 8 + 2 + 1) + 1) = –44<br />
Die zusätzlich addierte Zahl 1 bei der negativen Integerzahl ergibt sich<br />
durch die Berechnung des Zweierkomplementes.<br />
Die Berechnungen mit Integerzahlen sind innerhalb des Wertebereiches<br />
bei der Durchführung von Addition und Subtraktion exakt. Lediglich durch<br />
ein Überschreiten des zulässigen Wertebereichs bei einer Addition kann<br />
ein Überlauf auftreten.<br />
Integerzahlen werden auch zum Zählen eingesetzt. Dabei wird die Integerzahl<br />
bei jedem Duchlauf um den Wert Eins erhöht oder verringert.<br />
Als Gleitkommazahlen bezeichnet man gebrochene Zahlen, die mit einem<br />
Vorzeichen versehen sind. Man benötigt diese Darstellung für sehr<br />
große oder sehr kleine Zahlen. Die engliche Bezeichnung lautet floating<br />
point number. Deshalb werden Gleitkommazahlen auch als Gleitpunktzahl<br />
oder Fließkommazahl bezeichnet.<br />
Bei der Programmierung haben Gleitkommazahlen den Datentyp REAL.<br />
Sie bestehen aus den beiden Werten der Mantisse m und dem Exponenten<br />
a. Diese Schreibweise wird <strong>da</strong>bei in der Mathematik und in der<br />
Physik schon seit langem verwendet. Auf Taschenrechnern wird diese<br />
Darstellung als wissenschaftliches Format bezeichnet. Der Unterschied<br />
zu Rechenanlagen besteht <strong>da</strong>rin, <strong>da</strong>s hier die Zahl 2 als Basis verwendet<br />
wird.<br />
Die Gleitkommazahlen bei der Programmierung haben den Datentyp<br />
REAL. Diese Zahlen bestehen aus insgesamt drei Komponenten und<br />
sind 32 Bit lang. Die Mantisse hat eine Zeichenlänge von 23 Bit zuzüglich<br />
einem Bit für <strong>da</strong>s Vorzeichen. Der Exponent zur Basis 2 hat <strong>da</strong>gegen<br />
nur die Länge von 8 Bit. Da auch der Exponent vorzeichenbehaftet ist<br />
kann er im Bereich von –126 bis +127 liegen.<br />
Die größte mit Gleitkommazahlen vom Typ REAL <strong>da</strong>rstellbare<br />
Gleitkommazahl ist somit binär <strong>da</strong>rgestellt 1,111... · 10 127 , was im dezimalen<br />
Zahlensystem ungefähr 3,4 · 10 38 entspricht. Die kleinst mögliche<br />
Zahl ist im dezimaler Schreibweise 1,175 · 10 –38 .<br />
81
82<br />
Minos<br />
Beispiel<br />
2.4 Binäre Verknüpfungen<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Der Datentyp REAL mit einer Länge von 32 Bit wird auch als SHORT<br />
REAL bezeichnet. Im Unterschied <strong>da</strong>zu hat der Datentyp LONG REAL<br />
eine Bitlänge von insgesamt 64 Bit. Damit lassen sich zum einen noch<br />
größere oder kleinere Zahlen <strong>da</strong>rstellen, zum <strong>and</strong>eren wird die Genauigkeit<br />
der Zahlen erhöht. Das wird <strong>da</strong>durch erreicht, <strong>da</strong>ss insgesamt 52 Bit<br />
für die Mantisse verwendet werden.<br />
Die Rechnung mit Gleitkommazahlen ist immer etwas ungenau, <strong>da</strong> immer<br />
Ungenauigkeiten durch Rundungsfehler entstehen. Auch beim Umw<strong>and</strong>eln<br />
von dezimalen Gleitkommazahlen in binäre Gleitkommazahlen<br />
und zurück können Rundungsfehler auftreten. Ein üblicher Genauigkeitswert<br />
bei einer SPS beträgt im Dezimalsystem sechs Stellen. Mehr Nachkommastellen<br />
können also nicht angegeben oder berechnet werden.<br />
Bei der Programmierung ist <strong>da</strong>rauf zu achten, <strong>da</strong>ss Die Datentypen IN-<br />
TEGER und REAL nicht mitein<strong>and</strong>er addiert werden können. Dies kann<br />
immer nur mit gleichen Datentypen erfolgen. Vor der Berechnung ist<br />
deshalb ein Datentyp umzuw<strong>and</strong>eln.<br />
Intergerwert: 7<br />
Gleitkommawert 7.0<br />
Obwohl beide Werte mathematisch gesehen gleich groß sind, sind bei<br />
der Programmierung die unterschiedlichen Zahlenformate zu beachten.<br />
Die binären Schaltzustände 0 und 1 von unterschiedlichen Variablen<br />
müssen oftmals mitein<strong>and</strong>er verknüft werden. Alle Verknüpfungen lassen<br />
sich aus drei Grundverknüpfungen herleiten.<br />
Die beiden Verknüpfungen UND und ODER verbinden jeweils zwei Schaltzustände<br />
zu einem Ergebnis. Die dritte grundlegende Verknüpfung ist<br />
die Negation, auch als NICHT bezeichnet.<br />
Zusätzlich ist häufig bei der Programmierung der SPS die Verknüpfung<br />
Exclusiv-ODER zu finden.<br />
Eine weitere Möglichkeit der Verknüpfung von Signalzuständen besteht<br />
aus einem FlipFlop, auch als Gatter bezeichnet. Dabei wird unterschieden<br />
nach setzdominantem FlipFlop und rücksetzdominantem FlipFlop.<br />
Die einzelnen Verknüpfungen werden im folgenden beschrieben. Auch<br />
die Darstellung in den verschiedenen Programmiersprachen wird bereits<br />
mit angeführt.
2.4.1 UND-Verknüpfung<br />
Logik-Bildzeichen<br />
E1<br />
E2<br />
E1<br />
E2<br />
A<br />
&<br />
Bild 35: UND-Verknüpfung<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Die UND-Verknüpfung wird auch als Konjunktion bezeichnet. Sie verbindet<br />
zwei Eingänge zu einem Ausgang. Nur wenn an beiden Eingängen<br />
ein Signal anliegt, <strong>da</strong>nn führt auch der Ausgang ein Signal.<br />
Wahrheitstabelle:<br />
E1 E2 A<br />
0 0 0<br />
0 1 0<br />
1 0 0<br />
1 1 1<br />
Als Symbol für die Verknüpfung wird <strong>da</strong>s Zeichen & verwendet. Häufig<br />
wird auch ein Symbol benutzt, <strong>da</strong>s einem umgekehrten v ähnelt. In der<br />
mathematischen Schreibweise kann auch ein Punkt verwendet werden.<br />
Dieser <strong>da</strong>rf aber nicht mit einer Multiplikation vewechselt werden.<br />
E1& E2 = A<br />
E1∧ E2 = A<br />
E1⋅ E2 = A<br />
A<br />
Schaltbild Elektrik Schaltbild Pneumatik<br />
E1<br />
E2<br />
Kontaktplan<br />
E1 E2 A<br />
A<br />
83
84<br />
Minos<br />
2.4.2 ODER-Verknüpfung<br />
Logik-Bildzeichen<br />
E1<br />
E2<br />
A<br />
E2<br />
Bild 36: ODER-Verknüpfung<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Die ODER-Verknüpfung wird auch als Disjunktion bezeichnet. Sie verbindet<br />
zwei Eingänge zu einem Ausgang. Wenn an mindestens einem<br />
der beiden Eingängen ein Signal anliegt, <strong>da</strong>nn führt auch der Ausgang<br />
ein Signal.<br />
Wahrheitstabelle:<br />
E1 E2 A<br />
0 0 0<br />
0 1 1<br />
1 0 1<br />
1 1 1<br />
Als Symbol für die ODER-Verknüpfung wird ein Schrägstrich verwendet.<br />
Häufig wird auch ein Symbol benutzt, <strong>da</strong>s einem v ähnelt. In der mathematischen<br />
Schreibweise kann auch ein Plus verwendet werden. Dieser<br />
<strong>da</strong>rf aber nicht mit einer Addition vewechselt werden.<br />
E1/ E2 = A<br />
E1∨ E2 = A<br />
E1+ E2 = A<br />
A<br />
Schaltbild Elektrik Schaltbild Pneumatik<br />
E1<br />
1<br />
E1<br />
E2<br />
Kontaktplan<br />
E1 A<br />
E2<br />
A
2.4.3 Verneinung<br />
Bild 37: Verneinung<br />
E1 1 A<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Die Verneinung wird auch als Negation bezeichnet. Sie w<strong>and</strong>elt einen<br />
Eingang zu einen Ausgang mit dem entgegengesetzten Wert. Liegt am<br />
Eingang kein Signal an, <strong>da</strong>nn führt der Ausgang ein Signal. Umgekehrt<br />
führt der Ausgang kein Singal, wenn am Eingang ein Signal anliegt.<br />
Wahrheitstabelle:<br />
E1 A<br />
0 1<br />
1 0<br />
Als Symbol für die Negation wird ein Strich über dem Buchstaben für<br />
<strong>da</strong>s Signal verwendet. Häufig wird auch ein Symbol benutzt, <strong>da</strong>s aus<br />
einem waagerechten Strich besteht, an dem rechts ein kleiner Strich<br />
nach unten zeigt.<br />
Im Symbol für die Verneinung wird diese durch einen kleinen Kreis <strong>da</strong>rgestellt.<br />
E1= A<br />
E1= ¬ A<br />
Logik-Bildzeichen<br />
Schaltbild Elektrik Schaltbild Pneumatik<br />
E1<br />
A<br />
E1<br />
Kontaktplan<br />
E1 A<br />
A<br />
85
86<br />
Minos<br />
2.4.4 Bejahung<br />
Bild 38: Bejahung<br />
E1 1 A<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Die Bejahung wird auch als Identität bezeichnet. Liegt am Eingang kein<br />
Signal an, <strong>da</strong>nn führt auch der Ausgang kein Signal. Umgekehrt führt der<br />
Ausgang ein Singal, wenn am Eingang ein Signal anliegt.<br />
Wahrheitstabelle:<br />
E1 A<br />
0 0<br />
1 1<br />
Als Symbol für die Identität wird <strong>da</strong>s Gleichheitszeichen verwendet.<br />
E1 = A<br />
Logik-Bildzeichen<br />
Schaltbild Elektrik Schaltbild Pneumatik<br />
E1<br />
A<br />
E1<br />
Kontaktplan<br />
E1 A<br />
A
2.4.5 NAND (UND-NICHT)<br />
Logik-Bildzeichen<br />
E1<br />
E2<br />
A<br />
&<br />
Bild 39: UND-NICHT<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Die UND-NICHT-Verknüpfung wird auch als Schefferstrich bezeichnet.<br />
Die Bezeichnung NAND kommt von den englischen Bezeichnungen NOT<br />
und AND für NICHT und UND. Die UND-NICHT-Verknüpfung verbindet<br />
zwei Eingänge mit einer UND-Verknüpfung. Danach wird <strong>da</strong>s Ergebnis<br />
negiert. Somit kann die UND-NICHT-Verknüpfung auch aus diesen beiden<br />
einzelnen Logikfunktionen gebildet werden.<br />
Wahrheitstabelle:<br />
E1 E2 A<br />
0 0 1<br />
0 1 1<br />
1 0 1<br />
1 1 0<br />
Im Symbol für die UND-NICHT-Verknüpfung werden die beiden Eingänge<br />
gemeinsam mit einem <strong>da</strong>rüberliegenden Strich gekennzeichnet. Teilweise<br />
wird auch ein senkrechter Strich, der Schefferstrich, verwendet.<br />
E1∧ E2 = A<br />
E1| E2 = A<br />
A<br />
Schaltbild Elektrik Schaltbild Pneumatik<br />
E1 E2<br />
Kontaktplan<br />
E1 A<br />
E2<br />
E1 E2<br />
A<br />
87
88<br />
Minos<br />
2.4.6 NOR (ODER-NICHT)<br />
Logik-Bildzeichen<br />
E1<br />
E2<br />
A<br />
Bild 40: ODER-NICHT<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Die Bezeichnung NOR kommt von den englischen Bezeichnungen NOT<br />
und OR für NICHT und ODER. Die ODER-NICHT-Verknüpfung verbindet<br />
zwei Eingänge mit einer ODER-Verknüpfung. Danach wird <strong>da</strong>s Ergebnis<br />
negiert. Somit kann die ODER-NICHT-Verknüpfung auch aus diesen<br />
beiden einzelnen Logikfunktionen gebildet werden.<br />
Wahrheitstabelle:<br />
E1 E2 A<br />
0 0 1<br />
0 1 0<br />
1 0 0<br />
1 1 0<br />
Im Symbol für die ODER-NICHT-Verknüpfung werden die beiden Eingänge<br />
gemeinsam mit einem <strong>da</strong>rüberliegenden Strich gekennzeichnet.<br />
E1∨ E2 = A<br />
A<br />
Schaltbild Elektrik Schaltbild Pneumatik<br />
E1<br />
E2<br />
1<br />
Kontaktplan<br />
E1 E2 A<br />
E1 E2<br />
A
2.4.7 Inhibition<br />
Bild 41: Inhibition<br />
Logik-Bildzeichen<br />
E1<br />
E2<br />
A<br />
&<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
A<br />
Schaltbild Elektrik Schaltbild Pneumatik<br />
E1<br />
E2<br />
Kontaktplan<br />
A<br />
Minos<br />
Die Inhibition wird auch als Sperrgatter bezeichnet. Dabei werden die<br />
beiden Eingangssignale so verknüpft, <strong>da</strong>ss am Ausgang nur <strong>da</strong>nn ein<br />
Signal vorh<strong>and</strong>en ist, wenn der Eingang E1 ein Signal führt und der Eingang<br />
E2 nicht.<br />
Dies wird <strong>da</strong>durch erreicht, <strong>da</strong>ss der Eingang E2 zuerst negiert wird und<br />
<strong>da</strong>s Ergebnis anschließend durch eine UND-Verknüpfung mit dem Eingang<br />
E1 verbunden wird.<br />
Wahrheitstabelle:<br />
E1 E2 A<br />
0 0 0<br />
0 1 0<br />
1 0 1<br />
1 1 0<br />
Die Negation des Eingangs E2 wird durch einen Strich <strong>da</strong>rüber <strong>da</strong>rgestellt.<br />
Die Verknüpfung der beiden Eingänge erfolgt durch die entsprechenden<br />
Symbole der UND-Verknüpfung.<br />
E1∧ E2 = A<br />
E1 E2 A<br />
E2<br />
E1<br />
89
90<br />
Minos<br />
2.4.8 Implikation<br />
E1<br />
E2<br />
Bild 42: Implikation<br />
Logik-Bildzeichen<br />
A<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
A<br />
Schaltbild Elektrik Schaltbild Pneumatik<br />
E1<br />
1<br />
E2<br />
Die Implikation wird auch als Sperrgatter-Verneinung bezeichnet. Dabei<br />
werden die beiden Eingangssignale so verknüpft, <strong>da</strong>ss am Ausgang nur<br />
<strong>da</strong>nn kein Signal vorh<strong>and</strong>en ist, wenn der Eingang E1 ein Signal führt<br />
und der Eingang E2 nicht.<br />
Dies wird <strong>da</strong>durch erreicht, <strong>da</strong>ss der Eingang E21 zuerst negiert wird<br />
und <strong>da</strong>s Ergebnis anschließend durch eine ODER-Verknüpfung mit dem<br />
Eingang E1 verbunden wird.<br />
Wahrheitstabelle:<br />
E1 E2 A<br />
0 0 1<br />
0 1 1<br />
1 0 0<br />
1 1 1<br />
Die Negation des Eingangs E1 wird durch einen Strich <strong>da</strong>rüber <strong>da</strong>rgestellt.<br />
Die Verknüpfung der beiden Eingänge erfolgt durch die entsprechenden<br />
Symbole der ODER-Verknüpfung.<br />
E1∨ E2 = A<br />
E1<br />
E2<br />
E1<br />
Kontaktplan<br />
A<br />
E2<br />
A
2.4.9 Äquivalenz<br />
Bild 43: Äquivalenz<br />
Logik-Bildzeichen<br />
E1<br />
E2<br />
A<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Bei der Äquivalenz werden die beiden Eingangssignale so verknüpft,<br />
<strong>da</strong>ss am Ausgang nur <strong>da</strong>nn ein Signal vorh<strong>and</strong>en ist, wenn die Eingänge<br />
E1 und E2 den gleichen Zust<strong>and</strong> haben. Am Ausgang liegt also ein Signal<br />
an, wenn beide Eingänge ein Signal führen oder wenn beide Eingänge<br />
kein Signal führen.<br />
Wahrheitstabelle:<br />
E1 E2 A<br />
0 0 1<br />
0 1 0<br />
1 0 0<br />
1 1 1<br />
Für die Äquivalenz gibt es kein gesondertes Symbol. Die Verknüpfung<br />
muss aus den einzelnen Best<strong>and</strong>teilen zusammengesetzt werden.<br />
A<br />
Schaltbild Elektrik Schaltbild Pneumatik<br />
E1<br />
E2<br />
=<br />
E1<br />
E1<br />
E1<br />
E2<br />
Kontaktplan<br />
E2<br />
E2<br />
A<br />
A<br />
91
92<br />
Minos<br />
2.4.10 Antivalenz<br />
Bild 44: Antivalenz<br />
Logik-Bildzeichen<br />
E1<br />
E2<br />
A<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Die Antivalenz wird auch als Exklusiv-ODER bezeichnet.<br />
Bei der Antivalenz werden die beiden Eingangssignale so verknüpft, <strong>da</strong>ss<br />
am Ausgang nur <strong>da</strong>nn ein Signal vorh<strong>and</strong>en ist, wenn jeweils einer der<br />
Eingänge E1 und E2 ein Signal führt. Im Gegensatz zur ODER-Verknüpfung<br />
ist also am Ausgang kein Signal vorh<strong>and</strong>en, wenn beide Eingänge<br />
ein Signal führen.<br />
Erreicht wird eine Antivalenz-Verknüpfung durch <strong>da</strong>s Negieren des Ergebnisses<br />
einer Äquivalenz-Verknüpfung.<br />
Wahrheitstabelle:<br />
E1 E2 A<br />
0 0 0<br />
0 1 1<br />
1 0 1<br />
1 1 0<br />
Für die Antivalenz gibt es kein gesondertes Symbol. Die Verknüpfung<br />
muss aus den einzelnen Best<strong>and</strong>teilen zusammengesetzt werden.<br />
A<br />
Kontaktplan<br />
Schaltbild Elektrik Schaltbild Pneumatik<br />
E1<br />
E2<br />
=<br />
E1<br />
E1<br />
E1<br />
E2<br />
E2<br />
E2<br />
A<br />
A
2.4.11 Speicher<br />
E2<br />
E1<br />
E1<br />
E2<br />
Bild 45: Flipflop, Setzsignal dominant<br />
S<br />
R<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Die in der Programmierung verwendeten Speicher werden auch als<br />
Flipflop bezeichnet.<br />
Weitere Bezeichnungen sind bistabile Kippstufe oder bistabiles Kippglied.<br />
Dabei h<strong>and</strong>elt es sich um eine elektronische Schaltung, die zwei stabile<br />
Zustände einnehmen kann. Da sich diese Zustände nicht von selbst verändern<br />
können, wird der jeweils letzte Zust<strong>and</strong> gespeichert.<br />
Ein Flipflop ist somit die einfachste elektronische Schaltung, mit der ein<br />
Bit gespeichert werden kann. Flipflops sind deshalb in vielen elektronischen<br />
Schaltungen zu finden.<br />
Die beiden Zustände des Flipflops werden mit gesetzt und rückgesetzt<br />
bezeichnet. Im englischen werden die Begriffe set und reset verwendet.<br />
Entsprechend werden die Zustände durch die Buchstaben S und R <strong>da</strong>rgestellt.<br />
Hauptsächlich werden Flipflops als Speicher benutzt. Mit einem einzelnen<br />
Flipflop kann nur ein Bit gespeichert werden. Durch die Zusammensetzung<br />
mehrerer Flipflops wird die Speicherkapazität erhöht. Mit acht<br />
Flipflops kann somit ein ganzes Byte gespeichert werden. Solche Speicherbereiche<br />
werden als Register bezeichnet. Je nach Typ des Mikroprozessors<br />
sind verschiedene Wortbreiten möglich.<br />
Setzsignal dominant<br />
&<br />
A<br />
B<br />
1<br />
A<br />
+<br />
–<br />
E1 Signal gesetzt<br />
E2 Signal gelöscht<br />
E1<br />
E2<br />
A<br />
93
94<br />
Minos<br />
E2<br />
E1<br />
1<br />
Bild 46: Flipflop, Löschsignal dominant<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Durch <strong>da</strong>s Zusammenschalten mehrerer Flipflops können aber auch<br />
komplexe Systeme wie Zähler entstehen. Auch direkt in den Mikroprozessoren<br />
sind Flipflops zu finden. Flipflops sind somit wichtige Grundbausteine<br />
für die gesamte Digitaltechnik und Mikroelektronik, einschließlich<br />
der Computer.<br />
Ach die einzelnen Speicherzellen statischen RAMs, wie beispielsweise<br />
in Speicherkarten verwendet wird, bestehen aus Flipflop-Schaltungen.<br />
Im Unterschied <strong>da</strong>zu besteht der dynamische Speicher, der sogenannte<br />
RAM, nur auch einem Kondensator und einem Transistor pro Speicherzelle.<br />
Ähnlich wie bei der Selbsthaltung von Relaisschaltungen unterscheiden<br />
sich Speicherschaltungen <strong>da</strong>nach, welches der beiden Eingangssignale<br />
dominant ist. Liegt nur ein Signal an, so unterscheiden sich die beiden<br />
Arten nicht.<br />
Unterschiede bei den Ausgangssignalen entstehen erst, wenn beide Signale<br />
zur gleichen Zeit anliegen. Bei einer Verknüpfung mit dominanten<br />
Setzsignal wird ein Ausgangssignal vorh<strong>and</strong>en sein, wenn beide Eingangssignale<br />
anliegen.<br />
Ist die Schaltung <strong>da</strong>gegen mit einem dominanten Löschsignal aufgebaut,<br />
so wird beim Anliegen beider Eingangssignale kein Ausgangssignal<br />
vorh<strong>and</strong>en sein.<br />
Löschsignal dominant<br />
E1<br />
E2<br />
R<br />
S<br />
A<br />
B<br />
&<br />
A<br />
+<br />
–<br />
E1 Signal gesetzt<br />
E2 Signal gelöscht<br />
E2 E1<br />
A
2.4.12 Schaltalgebra<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Die binären logischen Verknüpfungen werden mit einem Teilgebiet der<br />
Mathematik beschrieben, die als Boolesche Algebra bezeichnet wird. Im<br />
Bereich der Berechnung binärer Schaltnetze und Schaltwerke wird auch<br />
von der Schaltalgebra gesprochen.<br />
Aus mathematischer Sicht sind beide nahezu gleich, nur die Symbole<br />
können sich unterscheiden. Die Schaltalgebra befasst sich aber ausdrücklich<br />
mit der Beschreibung der Zusammenhänge zwischen den Zuständen<br />
der Schalter im Innern einer Schaltanordnung.<br />
Mit der Schaltalgebra wurden früher bereits Relaisschaltungen berechnet.<br />
Die Rechenregeln gelten aber ebenso für Schaltungen aus elektronischen<br />
Bauelementen. Der höhere Pegel entspricht dem eingeschalteten<br />
Relais und somit der logischen Eins.<br />
Im folgenden werden die v-förmigen Symbole für die UND- und ODER-<br />
Verknüpfung verwendet. Als Hilfe kann man sich merken, <strong>da</strong>ss die UND-<br />
Verknüpfung unten offen ist und die ODER-Verknüpfung oben. Die ersten<br />
Buchstaben der Verknüpfung gleichen der Anfangsbuchstaben der<br />
Worte unten und oben.<br />
Das Kommutativgesetz beschreibt Gleichungen, in denen nur die Verknüpfungen<br />
UND oder ODER vorkommen. Hier können die einzelnen<br />
Variablen beliebig vertauscht werden.<br />
A ∧B ∧ C=C ∧B∧ A<br />
A ∨B ∨ C=C ∨B∨ A<br />
Das Assoziativgesetz beschreibt Gleichungen, in denen zusätzlich eine<br />
Klammer vorkommt. Es ähnelt aber dem Kommutativgesetz.<br />
A ∧( B ∧ C ) = ( A ∧ B)∧ C= A ∧B ∧ C<br />
A ∨( B ∨ C ) = ( A ∨ B)∨ C= A ∨B ∨ C<br />
Im Distributationsgesetz kommen UND- und ODER-Verknüpfungen vor.<br />
Es beh<strong>and</strong>elt <strong>da</strong>bei <strong>da</strong>s Ausklammern oder Ausmultiplizieren.<br />
A ∧( B ∨ C ) = ( A ∧ B)∨( A ∧ C)<br />
A ∨( B ∧ C ) = ( A ∨ B)∧( A ∨ C)<br />
95
96<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Mit Hilfe des Absorbtionsgesetzes können Verknüpfungen vereinfacht<br />
werden.<br />
( )<br />
A ∨ A ∧B<br />
= A<br />
( )<br />
A ∧ A ∨B<br />
= A<br />
( ) ∧<br />
( ) ∨<br />
( )<br />
A ∧ A ∨B<br />
= A B<br />
A ∨ A ∧B<br />
= A B<br />
Das Negationsgesetz beschreibt die Verknüpfung von Variablen mit den<br />
gleichen, aber negierten Variablen. Damit können ebenfalls Verknüpfungen<br />
vereinfacht werden.<br />
A ∧ A=0<br />
A ∨ A=1<br />
( )<br />
Weiterhin finden die DeMorganschen Gesetze des gleichnamigen Mathematikers<br />
Anwendung. Diese besagen, <strong>da</strong>ss bei einer gemeinsamen<br />
Negierung von zwei verknüpften Variablen diese auch einzeln verknüpft<br />
werden können, wenn gleichzeitig der Opertor ausgetauscht wird.<br />
A ∧B = A ∨B<br />
A ∨B = A ∧B<br />
Weiterhin gilt, <strong>da</strong>ss eine doppelte Negierung sich aufhebt.<br />
Wie auch in der normalen Mathematik haben Verknüpfungen, die in Klammern<br />
gesetzt werden, vorrang.<br />
Komplexere Aufgabenstellungen werden mit Hilfe von Wahrheitstafel<br />
<strong>da</strong>rgestellt. In diesen werden die Abhängigkeiten der Ausgangsvariablen<br />
von den Eingangsvariablen in Tabellenfom und nur durch die Zustände<br />
Eins und Null <strong>da</strong>rgestellt. Die Lösungsansätze werden <strong>da</strong>nach nach<br />
Möglichkeit vereinfacht.<br />
Nach der Umformulierung in eine mathematisch logische Schreibweise<br />
kann im Anschluß <strong>da</strong>raus ein Schaltschema aufgebaut werden. Hierbei<br />
wendet man ebenfalls die Regeln und Gesetze der Schaltalgebra an.
2.5 Programmierung einer SPS<br />
2.5.1 Strukturierte Programmierung<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Für die Programmierung einer SPS verwenden die verschiedenen Hersteller<br />
jeweils eine eigene Software. Die grundsätzlichen Programmiersprachen<br />
sind zwar gleich, sie können sich jedoch in einzelnen Befehlen<br />
unterscheiden.<br />
Die internationale Norm IEC 61131 wurde eingeführt, <strong>da</strong>mit eine Basis<br />
für eine einheitliche SPS-Programmierung geschaffen wird. Dabei ist die<br />
IEC 61131-3, dieser Teil befasst sich mit den Programmiersprachen, eher<br />
eine Richtlinie zur SPS-Programmierung als eine starre Norm.<br />
Eine gemeinsame Norm für die Programmiersprachen hat sowohl für<br />
die Hersteller als auch für die Anwender Vorteile. Die Hersteller müssen<br />
nicht ihre gesamte Software neu entwickeln, was mit hohen Kosten verbunden<br />
ist. Die Anwender <strong>da</strong>gegen können sich leichter in verschiedene<br />
Programmiersysteme einarbeiten, wenn diese ähnlich aufgebaut sind.<br />
In der Anfangszeit der SPS waren die Programme vor allem linear aufgebaut.<br />
Die Befehle wurden der Reihe nach im Programm aufgeführt<br />
und ebenso abgearbeitet.<br />
Grundsätzlich sollten heute größere Programme strukturiert aufgebaut<br />
sein. Das Programm wird <strong>da</strong>bei in mehrere Teilprogramme zerlegt. Diese<br />
Teilprogramme werden auch als Programmbausteine bezeichnet.<br />
Die strukturierte Programmierung bietet folgende Vorteile:<br />
– Die Programme werden übersichtlicher. Nachträgliche Änderungen<br />
im Programm lasen sich einfacher durchführen. Daduch wird auch<br />
die Fehlersuche vereinfacht.<br />
– Programmteile, die mehrfach benötigt werden, brauchen nur einmal<br />
geschrieben zu werden. Bei Be<strong>da</strong>rf wird der Baustein angesprungen<br />
und ausgeführt. Die Programmierung wird somit insgesamt<br />
einfacher.<br />
– Teilprogramme, die während der Programmabarbeitung gerade<br />
nicht benötigt werden, können übersprungen werden. Dadurch kann<br />
besonders bei großen Programmen die Zykluszeit wesentlich<br />
verkürzt werden.<br />
– Von den Herstellern der SPS werden häufig bereits vorgefertigte<br />
Teilprogramme mitgeliefert. Bestimmte Aufgaben wie <strong>da</strong>s Anlaufen<br />
der Steuerung oder Bausteine für die Beh<strong>and</strong>lung von Fehlern<br />
können in <strong>da</strong>s Anwenderprogramm einfach eingebunden werden.<br />
97
98<br />
Minos<br />
OB1<br />
BA FB1<br />
BA FB2<br />
BE<br />
Bild 47: Strukturierte Programmierung<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Bei der Verwendung von Bausteinen ist zu beachten, <strong>da</strong>ss Ausgänge im<br />
gesamten Programm fast immer nur ein einziges Mal gesetzt werden<br />
dürfen. Der Austausch von Informationen über die einzelnen Bausteine<br />
erfolgt mittels Merkern.<br />
Der Start und <strong>da</strong>s Ende des Programmes muss sich immer im Hauptprogramm<br />
befinden. Dieser Baustein wird auch Organisationsbaustein 1<br />
genannt. Von hier aus werden die einzelnen Funktionsbausteine oder<br />
Funktionen angesprungen. Der Ansprung kann absolut, also immer, erfolgen<br />
oder bedingt und somit nur, wenn die Voraussetzungen gegeben<br />
sind.<br />
Funktionen haben <strong>da</strong>bei kein Gedächtnis. Werden Sie mit einem bestimmten<br />
Wert angesprungen, so liefern sie immer <strong>da</strong>s gleiche Ergebnis.<br />
Im Unterschied <strong>da</strong>zu können Funktionsbausteine beispielsweise<br />
Zähler oder Zeitbausteine enthalten. In Abhängigkeit der Zustände dieser<br />
internen Variablen kann <strong>da</strong>s Ergebnis eines Funktionsbausteins trotz<br />
gleicher Eingangsvariablen unterschiedlich sein.<br />
In Programmbausteinen können auch Daten abgelegt werden. Diese<br />
Daten können im Laufe des Programmes abgerufen werden, es ist aber<br />
auch möglich, bestimmte Daten während des Programmablaufes abzuspeichern.<br />
BE<br />
BE<br />
FB1<br />
BA FB3<br />
FB2<br />
BE<br />
FB3
2.5.2 Deklaration von Variablen<br />
Beispiel<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Die Ein- und Ausgänge einer SPS werden mit Buchstaben und Ziffern<br />
bezeichnet. Dabei wird der Buchstabe E für die Eingänge, und der Buchstabe<br />
A für Ausgänge benutzt. In englischsprachigen Programmiersystemen<br />
werden <strong>da</strong>gegen die Buchstaben I für Input und Q für Output<br />
verwendet. Diese Buchstaben finden inzwischen auch in deutschsprachigen<br />
Programmiersystemen verwendung.<br />
Die einzelnen Eingänge werden durch zwei Ziffern bezeichnet, die durch<br />
einen Punkt getrennt sind. Die erste Ziffer gibt die Gruppe an, während<br />
innerhalb dieser Gruppe die zweite Ziffer von 0 bis 7 die einzelnen Eingänge<br />
durchnumeriert. Somit gehören immer bis zu acht Eingänge zu<br />
einer Gruppe. Diese Achtergruppen ergeben sich <strong>da</strong>raus, <strong>da</strong>ss ein Byte<br />
aus acht einzelnen Bits besteht.<br />
Die Ausgänge werden nach dem gleichen Prinzip bezeichnet. Für Einund<br />
Ausgänge können die gleichen Nummern verwendet werden. Innerhalb<br />
der Ein- und Ausgänge <strong>da</strong>rf <strong>da</strong>gegen jede Nummer nur einmal vorkommen.<br />
Eingänge: E0.0, E0.1, E0.2, E0.3, ... E0.7, E1.0, E1.1, ...<br />
Ausgänge: A0.0, A0.1, A0.2, A0.3, ... A0.7, A1.0, A1.1, ...<br />
Bei neueren Programmiersystemen ist neben der byteorientierten Programmierung<br />
auch eine wortorientierte Vergabe der Ein- und<br />
Ausgangsadresen möglich. Da ein Wort zwei Bytes enthält können somit<br />
in jeder Gruppe 16 einzelne Ein- oder Ausgänge enthalten sein. Die<br />
Bezeichnungen reichen in diesem Fall von beispielsweise E0.0 bis E0.15.<br />
Damit im Programm nicht nur diese Adressbezeichnungen verwendet<br />
werden, können diese durch symbolische Adressen ersetzt werden. Ist<br />
der Eingang E0.0 mit einem Starttaster beschaltet, so kann dieser Eingang<br />
beispielsweise mit der Bezeichnung START versehen werden. Im<br />
Programm taucht <strong>da</strong>nn an der jeweiligen Stelle anstatt des Eingangs<br />
E0.0 die Bezeichnung START auf.<br />
Die Bezeichnung der Ein- und Ausgänge werden zu Beginn des Programmes<br />
vereinbart. Dieser Bereich wird als Deklarationsteil bezeichnet.<br />
Im Deklarationsteil wird weiterhin vereinbart, aus wievielen einzelnen Bits<br />
eine Variable besteht. Ein einzelner Eingang wie der Starttaster kann<br />
nur ein- oder ausgeschaltet sein. Dafür wird nur ein Bit benötigt und die<br />
Variable mit dem Typ BOOL versehen. Bestehen die Variablen aus mehreren<br />
Bits, so können sie als BYTE oder WORD vereinbart werden.<br />
Globale Variablen gelten <strong>da</strong>bei für <strong>da</strong>s gesamte Programm, <strong>and</strong>ere Variablen<br />
<strong>da</strong>gegen nur für für <strong>da</strong>s jeweilige Unterprogramm.<br />
99
100<br />
Minos<br />
2.5.3 Anweisungen<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Neben den Ein- und Ausgängen werden auch Merker verwendet. Diese<br />
werden in der gleichen Weise numeriert. Merker werden im Gegensatz<br />
zu den Ein- und Ausgängen mit dem Buchstaben M bezeichnet.<br />
Die Merker speichern Ergebnisse von Verknüpfungen und können diese<br />
Ergebnisse auch in Unterprogramme und wieder zurück transportieren.<br />
Merker werden als remanent bezeichnet, wenn sie ihren Zust<strong>and</strong> auch<br />
nach dem Ausfall der elektrischen Spannung beibehalten.<br />
Die kleinste Einheit des Programmes ist die Anweisung. Sie besteht aus<br />
aus einem Operationsteil und einem Oper<strong>and</strong>enteil welcher die Variable<br />
enthält.<br />
Die Anweisungen können bei den Programmiersystemen der verschiedenen<br />
Hersteller vorein<strong>and</strong>er abweichen. Wichtige Anweisungen sind:<br />
U UND-Funktion zur Verknüpfung von BIT, BYTE und<br />
WORD, wird auch als Ladefunktion verwendet.<br />
O ODER-Funktion zur Verknüpfung von BIT, BYTE und<br />
WORD.<br />
S Setzen von Speichern<br />
R Rücksetzen von Speichern<br />
= Zuweisung des Ergebnisses einer Verknüpfung.<br />
Weitere Anweisungen bestehen aus Klammern, bei denen der Inhalt der<br />
Klammer zuerst berechnet wird und erst <strong>da</strong>nach dieses Ergebnis in die<br />
weitere Berechnung eingeht.<br />
Für Zähler- und Zeitbefehle sind ebenfalls mehrere Operationen vorh<strong>and</strong>en.<br />
Weitere Operationen transferieren Daten in verschiedene Rechenregister,<br />
verschieben einzelne Bits oder alle Bits eines Bytes und führen<br />
Vergleichsoperationen durch.<br />
Das Aufrufen von Bausteinen geschieht mit Operationen für absolute<br />
und bedingte Sprünge. Die absoluten Sprünge werden immer ausgeführt,<br />
während die bedingten Sprünge nur erfolgen, wenn die entsprechenden<br />
Bedingungen gegeben sind.<br />
Die Darstellung der einzelnen Anweisungen erfolgt in verschiedenen<br />
Programmiersprachen. Je nach Art der Steuerungsaufgabe sind die einzelnen<br />
Programmiersprachen für <strong>da</strong>s Erstellen eines Programmes verschieden<br />
gut geeignet. Ein Teil der Programmiersprachen besitzt eine<br />
grafische Darstellung, die <strong>and</strong>eren sind textbasiert.
2.5.4 Anweisungsliste AWL<br />
Beispiel<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Die Anweisungsliste ist eine maschinennahe Programmiersprache, die<br />
in fast allen Programmiersystemen zur Verfügung steht. Allerdings entsprechen<br />
nicht alle Sprachen in Anweisungsliste der IEC 61131-3, obwohl<br />
sie vom Hersteller der SPS als AWL bezeichnet werden. Es ist <strong>da</strong>her<br />
oft nicht möglich, ein in AWL geschriebenes Programm eines Herstellers<br />
einfach auf <strong>da</strong>s Programmiersystem eines <strong>and</strong>eren Herstellers<br />
zu übertragen.<br />
Mit Hilfe der Anweisungsliste werden vor allem die Eingänge und die<br />
Ausgänge der SPS logisch mitein<strong>and</strong>er verknüpft. Dazu wird in jede Zeile<br />
die Operation und der Oper<strong>and</strong> geschrieben.<br />
Zusätzlich sollte in jeder Zeile ein Kommentar stehen, in dem die Operation<br />
erläutert wird. Dadurch wird ein späteres Lesen und Verstehen des<br />
Programmes wesentlich erleichtert. Der Kommentar wird in Klammern<br />
mit einem Stern gesetzt. Das Programmiersystem ignoriert diese Kommentare,<br />
es wird nur der Programmcode in die SPS geladen.<br />
Ein Leuchtmelder am Ausgang der SPS soll eingeschaltet werden, wenn<br />
zwei Taster gleichzeitig betätigt sind oder ein Stellschalter eingeschaltet<br />
ist. Das Programm in der Anweisungsliste kann <strong>da</strong>nn wie folgt aussehen:<br />
U E0.0 (* Taster 1 *)<br />
U E0.1 (* Taster 2 *)<br />
O E0.2 (* Stellschalter *)<br />
= A0.0 (* Leuchtmelder *)<br />
In jeder Zeile steht zuerst die Operation und <strong>da</strong>nach der Oper<strong>and</strong>. Der<br />
Kommentar steht immer auf der rechten Seite einer Zeile. Die ersten<br />
beiden Eingänge sind UND-verknüpft. Danach folgt die ODER-Verknüpfung<br />
mit dem dritten Eingang. Das Gleichheitszeichen zeigt an, <strong>da</strong>ss <strong>da</strong>s<br />
Ergebnis der logischen Verknüpfung an den Ausgang weitergegeben wird.<br />
Die Anweisungsliste ähnelt der Assemblersprache bei der Programmierung<br />
von Computern. Strukturierungen sind nur umständlich durch<br />
Sprungbefehle möglich.<br />
Der Vorteil der Anweisungsliste liegt <strong>da</strong>rin, <strong>da</strong>ss der Programmcode sehr<br />
klein gehalten werden kann. Dies ist besonders bei einer SPS mit einem<br />
kleinen Speicher wichtig.<br />
Die Anweisungsliste wird meistens nur von fortgeschrittenen Programmierern<br />
verwendet. Anwender mit weniger Erfahrung verwenden lieber<br />
Programmiersprachen mit einer Visualisierung, <strong>da</strong> <strong>da</strong>mit komplexe Programmabläufe<br />
leichter zu verstehen sind.<br />
101
102<br />
Minos<br />
2.5.5 Kontaktplan KOP<br />
–S1 –S2<br />
–S3 –S4<br />
–S5<br />
Bild 48: Beispiel eines Kontaktplanes<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Der Kontaktplan ist eine grafische Darstellung des Programmes. Er ähnelt<br />
den Stromlaufplänen der früheren Relaissteuerungen. Die einzelnen<br />
Programmteile werden in Abschnitte unterteilt, die Netzwerke genannt<br />
werden.<br />
Der Kontaktplan ist eine vergleichsweise alte grafische Darstellungsweise.<br />
Die einzelnen Symbole können bereits mit einer Schreibmaschinentastatur<br />
<strong>da</strong>rgestellt werden. Die grafische Anzeige der Symbole konnte<br />
somit auch auf Bildschirmen erfolgen, die nur Text <strong>da</strong>rstellen konnten.<br />
Weiterhin ähnelt der Kontaktplan der amerikanischen Darstellungsweise<br />
von Relaisschaltungen, bei der die einzelnen Strompfade waagerecht<br />
angeordnet sind.<br />
Um aus einen europäischen Schaltplan in aufgelöster Darstellung einen<br />
Kontaktplan zu erstellen, muß der Schaltplan zunächst um 90° im Uhrzeigersinn<br />
gedreht werden. Anschließend wird der Schaltplan an einer<br />
senkrechten Linie gespiegelt und die Symbole entsprechend angepasst.<br />
Der Kontaktplan ist besonders für Elektriker geeignet, <strong>da</strong> die Darstellung<br />
den Schaltplänen mit Relais sehr ähnelt. Verwendung findet der Kontaktplan<br />
auch vor allem bei Verknüpfungssteuerungen.<br />
–K1
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
2.5.6 Funktionsbausteinsprache FBS<br />
–S1<br />
–S2<br />
–S3<br />
–S4<br />
&<br />
&<br />
Bild 49: Beispiel einer Funktionsbausteinsprache<br />
Minos<br />
Die Funktionsbausteinsprache ist ebenfalls eine grafische Darstellung<br />
des Programmes. Die einzelnen Funktionselemente werden durch<br />
boolsche Funktionen mitein<strong>and</strong>er verknüpft, es sind aber auch arithmetische<br />
und <strong>and</strong>ere Funktionen möglich.<br />
Wie im Kontaktplan werden die einzelnen Programmteile in Netzwerke<br />
unterteilt. Bei boolschen Verknüpfungen können die einzelnen Netzwerke<br />
oftmals auch in den Kontaktplan umgew<strong>and</strong>elt werden, oder es kann<br />
eine Umw<strong>and</strong>lung von diesen in die Funktionsbausteinsprache erfolgen.<br />
Die grafischen Elemente der Funktionsbausteinsprache bestehen aus<br />
Rechtecken, die durch horizontale und vertikale Linien mitein<strong>and</strong>er verbunden<br />
werden. Der Signalfluss verläuft <strong>da</strong>bei von links nach rechts. Die<br />
Ausgänge mehrerer Rechtecke dürfen <strong>da</strong>bei nicht einfach zusammengeführt<br />
werden. Sie müssen immer als Eingänge eines weiteren<br />
Rechteckes wieder verknüpft werden.<br />
Auf der rechten Seite wird <strong>da</strong>s Ergebnis der Verknüpfung ausgegeben.<br />
In jedem Netzwerk <strong>da</strong>rf nur ein Ergebnis berechnet werden, welches<br />
jedoch auch an mehrere Ausgänge gleichzeitig ausgegeben werden <strong>da</strong>rf.<br />
Die Funktionsbausteinsprache wird vor allem von noch wenig mit der<br />
Programmierung vertrauten Personen benutzt. Wie beim Kontaktplan ist<br />
der Einsatz besonders bei Verknüpfungssteuerungen vorteilhaft.<br />
–S5<br />
>=1<br />
=<br />
–K1<br />
103
104<br />
Minos<br />
2.5.7 Ablaufsprache AS<br />
Bild 50: Beispiel einer Ablaufsprache<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Die Ablaufsprache ist ebenfalls eine grafische Darstellung. Sie wird besonders<br />
bei Ablaufsteuerungen eingesetzt, bei denen ein schrittweises<br />
Abarbeiten durchgeführt wird.<br />
Die einzelnen Teile in der Ablaufsprache werden als Schritte bezeichnet.<br />
Zwischen den Schritten befinden sich Transitionen, die auch Weiterschaltbedingung<br />
genannt werden. Erst wenn eine Transition erfüllt ist, kann in<br />
den nächsten Schritt geschaltet werden.<br />
An jedem Schritt befindet sich eine Aktion, die in diesem Schritt durchgeführt<br />
wird. Zusätzlich gibt es eine Bedingung, die erfüllt sein muss, <strong>da</strong>mit<br />
der Schritt ausgeführt werden kann. Die Aktionen können nur für diesen<br />
einen Schritt gültig sein oder einen Ausgang setzen, der in einem <strong>and</strong>eren<br />
Schritt wieder zurück gesetzt wird.<br />
Weiterhin ist es möglich, den Ablauf in mehrere Ketten aufzuspalten.<br />
Diese können <strong>da</strong>nn gleichzeitig abgearbeitet werden. Es ist aber auch<br />
möglich, die einzelnen Ketten alternativ, also nur bei bestimmten Voraussetzungen,<br />
zu durchlaufen. Je nach Eingangsbedingungen sind so<br />
verschiedene Abläufe möglich.<br />
Start<br />
1N1<br />
Ende<br />
-S1<br />
&<br />
-S2<br />
-S3<br />
N Motor An -K1
2.5.8 Strukturierter Text ST<br />
Beispiel<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Strukturierter Text ist eine höhere Programmiersprache und ist mit der<br />
Programmiersprache PASCAL im Computerbereich vergleichbar. Mit dem<br />
Strukturierten Text lassen sich vor allem Steuerungsaufgaben mit komplexen<br />
Berechnungsverfahren leichter realisieren.<br />
Der Strukturierte Text ist wie die Anweisungsliste textorientiert, es werden<br />
aber nicht die maschinennahen Befehle der AWL benutzt.<br />
Die Vorteile des Strukturierten Textes gegenüber der Anweisungsliste<br />
liegen <strong>da</strong>rin, <strong>da</strong>ss die Programmieraufgaben sehr kompakt formuliert<br />
werden können. Der Aufbau des Programmes wird durch die Verwendung<br />
von Anweisungsblöcken sehr übersichtlich.<br />
Diesen Vorteilen stehen aber auch Nachteile gegenüber. Der Maschinencode<br />
ist nicht direkt beeinflussbar, <strong>da</strong> die Übersetzung durch ein gesondertes<br />
Übersetzungsprogramm, den Compiler, erfolgt. Programme, die<br />
mit höheren Sprachen erstellt werden, sind deshalb im allgemeinen langsamer<br />
und umfangreicher. Die Effizienz des Programmes wird <strong>da</strong>durch<br />
geringer.<br />
Ein Programm in Strukturiertem Text besteht aus mehreren einzelnen<br />
Anweisungen. Die Anweisungen sind durch ein Semikolon, auch Strichpunkt<br />
genannt, getrennt. Im Gegensatz zur Anweisungsliste können sich<br />
Anweisungen über mehrere Zeilen erstrecken. Es ist aber auch möglich,<br />
<strong>da</strong>ss in einer Zeile mehrere Anweisungen stehen.<br />
Kommentare sind durch Klammern und Stern gekennzeichnet. Sie müssen<br />
nicht am Ende einer Zeile stehen sondern können überall dort eingefügt<br />
werden, wo auch Leerzeichen erlaubt sind. Sie können somit auch<br />
innerhalb einer Anweisung stehen.<br />
Die Zuweisung erfolgt im Strukturierten Text durch einen Doppelpunkt<br />
mit einem Gleichheitszeichen. Bei einer Zuweisung wird der Wert der<br />
rechts neben dem Gleichheitszeichen stehenden Anweisung auf die links<br />
stehende Variable übertragen. Verzweigungen werden mit IF Anweisungen<br />
realisiert. Sprunganweisungen gibt es im Strukturierten Text nicht.<br />
A := B + C (* Addition der Werte B und C *) ;<br />
Im Beispiel werden die beiden Werte B und C addiert und die Summe<br />
der Variablen A zugewiesen. Der Kommentar steht am Ende der Zeile.<br />
Abgeschlossen wird die Anweisung durch <strong>da</strong>s Semikolon.<br />
105
106<br />
Minos<br />
2.5.9 Zeitgeber<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Die Zeitgeber werden auch als Timer bezeichnet. Sie werden verwendet<br />
um verschiedene Verzögerungen im Programm zu erreichen. Sie entsprechen<br />
den Zeitrelais in Relaissteuerungen. Dabei ist jedoch zu beachten,<br />
<strong>da</strong>ss die Zykluszeit der SPS wesentlich geringer sein muss als<br />
die mit dem Zeitgeber eingestellte Zeit<strong>da</strong>uer.<br />
Je nach Aufgabe der Steuerung werden verschiedene Zeitgeber eingesetzt.<br />
Ähnlich wie bei den Zeitrelais gibt es Zeitgeber mit Einschaltverzögerung<br />
und Ausschaltverzögerung. Weiterhin gibt es Zeitgeber zur<br />
Verlängerung oder Verkürzung eines Eingangsimpulses.<br />
In der Funktionsbausteinsprache lässt sich die Programmierung eines<br />
Zeitgebers gut erkennen. Über dem Baustein steht die Bezeichnung des<br />
Zeitgebers . Die Bezeichnung oben im Rechteck kennzeichnet, um welche<br />
Art von Zeitgeber es sich h<strong>and</strong>elt.<br />
Die folgenden Anschlüsse des Zeitgebers müssen auf jeden Fall<br />
beschaltet sein:<br />
IN Startbedingung, startet den Zeitgeber,<br />
PT Zeitkonstante, Dauer der Zeit,<br />
Q Ausgang, wird gesetzt, wenn die eingestellte Zeit abgelaufen<br />
ist.<br />
Die weiteren Anschlüsse können beschaltet werden, wenn die Funktion<br />
benötigt wird:<br />
ST Stop, hält den Zeitgeber an ohne ihn zurückzusetzen,<br />
R Zurücksetzen des Zeitgebers auf den Ausgangszust<strong>and</strong>,<br />
ET gibt den Restwert der Zeit als Wort aus.<br />
E0.0<br />
T#1s<br />
E0.1<br />
IN<br />
PT<br />
ST<br />
E0.2 R<br />
T1<br />
SE<br />
ET<br />
Bild 51: Timer in Funktionsbausteinsprache<br />
Q<br />
M0<br />
A1.0
2.5.10 Zähler<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Die Zähler werden beispielsweise verwendet, um die Anzahl von durchgeführten<br />
Zyklen zu zählen oder die Menge gefertigter Teile zu erfassen.<br />
Sie können nur ganze und positive Zahlen einschließlich Null verarbeiten.<br />
Je nach Aufgabe der Steuerung werden verschiedene Zählertypen eingesetzt.<br />
Rückwärtszählern wird ein bestimmter Wert zugewiesen, von<br />
dem aus sie bis Null zurückzählen. Vorwärtszähler können bei Null beginnen,<br />
müssen dies aber nicht. Ihr Zählergebnis wird mit der zu erreichenden<br />
Zahl verglichen. Stimmen beide Zahlen überein, so wird ein<br />
Ausgang gesetzt. Weiterhin gibt es kombinierte Zähler, die sowohl vorwärts<br />
als auch rückwärts zählen können.<br />
In der Funktionsbausteinsprache lässt sich die Programmierung eines<br />
Zählers gut erkennen. Über dem Baustein steht die Bezeichnung des<br />
Zählers. Die Bezeichnung oben im Rechteck kennzeichnet, um welche<br />
Art von Zähler es sich h<strong>and</strong>elt.<br />
Die Anschlüsse des Zählers haben folgende Bedeutung:<br />
CD Zählimpuls, der Zähler zählt jedes mal um Eins weiter,<br />
wenn ein Impuls anliegt<br />
PV Zählwert, der Wert, ab dem bei einem Rückwärtszähler<br />
gezählt wird,<br />
LD Laden des Zählwertes in den Zähler, wird durchgeführt,<br />
wenn der Eingang gesetzt ist,<br />
R Zurücksetzen des Zählers auf den Ausgangszust<strong>and</strong>,<br />
CV Ausgabe des aktuellen Zählerst<strong>and</strong>es, dieser Wert kann<br />
mit einem vorgegebenen Wert verglichen werden,<br />
Q Ausgang, wird beim Rückwärtszähler gesetzt, wenn der<br />
Zählwert Null erreicht ist.<br />
E1.0<br />
75<br />
E1.1<br />
CD<br />
PV<br />
LD<br />
E1.2 R<br />
Z1<br />
ZR<br />
CV<br />
M2<br />
A2.0<br />
Bild 52: Rückwärtszähler in Funktionsbausteinsprache<br />
Q<br />
107
108<br />
Minos<br />
2.5.11 Speicher<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Die Speicher werden auch Flipflop genannt. Sie werden benötigt, wenn<br />
nur kurzfristig vorh<strong>and</strong>ene Signale eine längere Zeit wirken sollen. Da<br />
sie den eingeschalteten oder ausgeschalteten Zust<strong>and</strong> selbsttätig beibehalten,<br />
werden sie auch als bistabil bezeichnet.<br />
Durch Anlegen eines Signals am Eingang S wird der Speicher eingeschaltet<br />
und am Ausgang ein Signal ausgegeben. Das Rücksetzen erfolgt<br />
durch ein Signal am Eingang R. Diese Funktion ist bei beiden<br />
Speicherarten gleich.<br />
Ein Unterschied ergibt sich beim gleichzeitigen Beschalten der beiden<br />
Eingänge mit einem Signal. Beim Speicher mit einem vorrangigen Setzen<br />
wird in diesem Fall ein Ausgangssignal abgegeben. Der Speicher<br />
mit der Funktion für ein vorrangiges Rücksetzen wird jedoch am Ausgang<br />
kein Signal ausgeben, wenn beide Eingänge gleichzeitig gesetzt<br />
sind.<br />
Die Funktion der Speicher entspricht somit den Relaisschaltungen mit<br />
einer Selbsthaltung und den Funktionen dominierend EIN und dominierend<br />
AUS.<br />
vorrangiges Setzen vorrangiges Rücksetzen<br />
E0.0 S1<br />
SR<br />
E0.1 R Q1 A0.0<br />
FUNCTION_BLOCK SR<br />
VAR_INPUT<br />
S1 : BOOL;<br />
R : BOOL;<br />
END_VAR<br />
VAR_OUTPUT<br />
Q1 : BOOL;<br />
END_VAR<br />
Q1 := S1 OR (NOT R AND Q1);<br />
END_FUNCTION_BLOCK<br />
E1.0 S<br />
Bild 53: Speicher in Funktionsbausteinsprache und Strukturierter Text<br />
RS<br />
E1.1 R1 Q1 A1.0<br />
FUNCTION_BLOCK RS<br />
VAR_INPUT<br />
S : BOOL;<br />
R1 : BOOL;<br />
END_VAR<br />
VAR_OUTPUT<br />
Q1 : BOOL;<br />
END_VAR<br />
Q1 := NOT R1 AND (S OR Q1);<br />
END_FUNCTION_BLOCK
2.5.12 Schrittketten<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Ablaufsteuerungen lassen sich besonders übersichtlich mit Schrittketten<br />
programmieren. Dazu ist die Programmiersprache Ablaufsprache gut<br />
geeignet. Schrittketten können aber auch mit Hilfe von vorrangig rücksetzenden<br />
Speichern programmiert werden.<br />
Für jeden Schritt ist ein Speicher vorzusehen. Der erste Schritt wird beispielsweise<br />
durch einen Starttaster und eine Startvoraussetzung gesetzt.<br />
Als Ausgang des Speichers ist ein Merker vereinbart.<br />
Der nächste Schritt wird gesetzt, wenn eine weitere Bedingung erfüllt ist.<br />
Dies kann aber nur geschehen, wenn zuvor der Merker des ersten Schrittes<br />
eingeschaltet war. Durch <strong>da</strong>s Setzen des zweiten Speichers wird<br />
gleichzeitig der erste Schritt zurückgesetzt.<br />
Die Merker können in einem <strong>and</strong>eren Teil des Programmes weiter logisch<br />
verknüpft und zur Signalausgabe verwendet werden.<br />
Entsprechend der Aufgabenstellung wird auf diese Weise ein Schritt nach<br />
dem <strong>and</strong>eren eigeschaltet. Der nächste Schritt wird jeweils für <strong>da</strong>s Einschalten<br />
vorbereitet und der vorangegangene Schritt wird zurückgesetzt.<br />
Diese Vorgehensweise entspricht einer löschenden Schrittkette in der<br />
Relaistechnik.<br />
–S1<br />
–B1<br />
M0.1<br />
–B2<br />
Bild 54: Schrittkette in Funktionsbausteinsprache<br />
&<br />
&<br />
S<br />
RS<br />
M0.2 R1 Q1 M0.1<br />
S<br />
M1<br />
M2<br />
RS<br />
M0.3 R1 Q1 M0.2<br />
:<br />
:<br />
:<br />
109
110<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen
3 Elektrische Antriebe<br />
3.1 Einleitung<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
In weiten Bereichen der Technik wird elektrische Energie benötigt und<br />
verwendet. Die wichtigsten Betriebsmittel sind <strong>da</strong>bei die elektrischen<br />
Maschinen. Auch für ihre Steuereinrichtungen wird elektrische Energie<br />
genutzt.<br />
Elektrische Maschinen werden unterschieden in Generatoren und Motoren.<br />
In Generatoren wird mechanische Energie in elektrische Energie<br />
umgew<strong>and</strong>elt. Die elektrische Energie wird mit Hilfe der Motoren wieder<br />
in mechanische Energie umgew<strong>and</strong>elt. Diese Motoren werden deshalb<br />
auch als Antriebe bezeichnet.<br />
Der überwiegende Teil der elektrischen Maschinen arbeiten mit einer<br />
drehenden Bewegung. Motoren, die eine geradlinige Bewegung erzeugen,<br />
werden als Linearmotoren bezeichnet. Ein bekanntes Beispiel <strong>da</strong>für<br />
ist der Antrieb des Transrapid.<br />
Die Größe von elektrischen Maschinen reicht von Motoren mit wenigen<br />
Millimetern Durchmessern bis zu Generatoren mit einer Masse von mehreren<br />
hundert Tonnen.<br />
Die kleinstem Motoren haben eine Leistung von etwa einem Milliwatt.<br />
Die größten Generatoren <strong>da</strong>gegen erzeugen eine elektrische Leistung<br />
von über eintausend Megawatt. Gibt man diesen Leistungsbereich in<br />
Watt an, so reicht er von 0,001 W bis 1 000 000 000 W.<br />
Die Übertragung und Verteilung der elektrischen Energie erfolgt durch<br />
Spannungsnetze. Über große Entfernungen werden Hochspannungsnetze<br />
verwendet. Über Mittel- und Niederspannungsnetze werden die<br />
einzelnen Abnehmer der Energie an die Hochspannungsnetze angeschlossen.<br />
Ein großer Vorteil der überwiegend verwendeten Wechselspannung besteht<br />
<strong>da</strong>rin, <strong>da</strong>ss sie mit Hilfe von Transformatoren in <strong>and</strong>ere Spannungswerte<br />
umgesetzt werden kann. Entsprechend den elektrischen Maschinen<br />
haben Transformatoren einen ähnlichen Leistungsbereich wie die<br />
elektrischen Maschinen.<br />
Für eine Punkt zu Punkt Verbindung wird auch eine Gleichstromübertragung<br />
mit Hochspannung durchgeführt. Diese ist zwar technisch<br />
aufwändiger als eine Übertragung mit Wechselspannung, hat aber auch<br />
geringere Verluste bei großen Entfernungen, wie sie beispielsweise bei<br />
der Durchquerung von Meeresteilen auftreten.<br />
111
112<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
3.2 Elektrische und magnetische Felder<br />
3.2.1 Elektrisches Feld<br />
Elektrische Ladungen werden in positive und negative Ladungen unterschieden.<br />
Dabei sind Elektronen negativ geladen und Atomkerne positiv.<br />
Die elektrischen Ladungen üben Kräfte aufein<strong>and</strong>er aus. Gleichartige<br />
Ladungen stoßen sich ab und verschiedenartige Ladungen ziehen sich<br />
an. Diese Kräfte werden <strong>da</strong>bei als positiv angesehen, wenn sich die Ladungen<br />
abstoßen. Dies ist bei zwei positiven Ladungen als auch bei<br />
zwei negativen Ladungen der Fall.<br />
Befinden sich außerhalb einer geladenen Kugel entgegengesetzte Ladungen,<br />
so werden auf diese in Richtung der Kugel Kräfte ausgeübt. Die<br />
Wirkungslinien der Kräfte gehen <strong>da</strong>bei durch den Mittelpunkt der Kugel.<br />
Diese Kraftlinien stellen die Feldlinien des elektrischen Feldes <strong>da</strong>r.<br />
Die Richtung der Feldlinien ist so definiert, <strong>da</strong>ss sie von der positiven<br />
Ladung zur negativen Ladung gerichtet sind, also von Plus nach Minus<br />
verlaufen. Die Feldlinien treten deshalb aus einer positiven Ladung aus<br />
und in der negativen Ladung wieder ein.<br />
+<br />
–<br />
– –<br />
– –<br />
Bild 55: Feldlinien eines elektrischen Feldes<br />
+<br />
–<br />
–<br />
+<br />
–<br />
+<br />
+
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Bei einem homogenen elektrischen Feld verlaufen alle Feldlinien parallel.<br />
Dies ist zwischen zwei gleich großen, aber entgegengesetzt geladenen<br />
Platten der Fall. Die elektrischen Felder in Maschinen sind <strong>da</strong>gegen<br />
meist inhomogen.<br />
Je dichter die Feldlinien zusammenliegen, desto stärker ist <strong>da</strong>s elektrische<br />
Feld. Als Einheit für die elektrische Feldstärke wird meistens<br />
Volt/Meter (V/m) verwendet.<br />
Die Anzahl der Ladung eines leitenden Körpers pro Fläche wird Flächenladungsdichte<br />
genannt. Werden diese Ladungen in der Richtung der<br />
Feldlinien verschoben, so bezeichnet man dies als elektrische Flussdichte<br />
oder auch Verschiebungsdichte.<br />
Um einen elektrischen Leiter entsteht ebenfalls ein elektrischen Feld,<br />
wenn der Leiter Ladungen aufnimmt. Zusammen mit der Isolierung bildet<br />
der Leiter eine Kapazität. Im Gegensatz zu Kondensatoren ist bei<br />
elektrischen Leitern diese Kapazität im allgemeinen nicht erwünscht.<br />
Wird ein Kondensator an eine sinusförmige Wechselspannung angeschlossen,<br />
so ändert sich am Kondensator ständig die anliegende Spannung.<br />
Am schnellsten ändert sich die Spannung, wenn die Sinuskurve<br />
ihren Nulldurchgang hat. Zu diesem Zeitpunkt ist der Stromfluss am Kondensator<br />
am höchsten.<br />
An den Scheitelpunkten der Sinuskurve ändert sich die Spannung nicht.<br />
Deshalb fließt an diesem Zeitpunkt kein Strom. Daraus ergibt sich, <strong>da</strong>ss<br />
die Spannung am Kondensator dem Strom um 90° vorauseilt.<br />
Die zeitliche Verschiebung von Spannung und Strom wird Phasenverschiebung<br />
genannt. Da die Spannung sowohl positive als auch negative<br />
Werte annimmt, fließt der Strom entweder zum Kondensator hin oder<br />
wieder von ihm zurück. Somit nimmt der Kondensator aus dem Netz<br />
eine Leistung auf und gibt sie wenig später wieder ab.<br />
Bei einer Phasenverschiebung von 90° ist die aufgenommene Leistung<br />
genauso groß wie die wieder abgegebene Leistung. Diese pendelnde<br />
Leistung wird als Blindleistung bezeichnet.<br />
Die Aufnahme der Blindleistung verursacht einen Blindwiderst<strong>and</strong>. Im<br />
Unterschied zu dem Blindwiderst<strong>and</strong> an Spulen wird der Blindwiderst<strong>and</strong><br />
an Kondensatoren als kapazitiver Blindwiderst<strong>and</strong> bezeichnet.<br />
In jedem elektrischen Feld ist Energie gespeichert. Dies wird in Kondensatoren<br />
ausgenutzt. Die Menge der Energie ist <strong>da</strong>bei von der Spannung<br />
und der Kapazität des Kondensators abhängig. Diese Energiemengen<br />
sind jedoch nicht so groß, <strong>da</strong>ss sie in wesentlichem Umfang in der<br />
Energietechnik genutzt werden können.<br />
113
114<br />
Minos<br />
3.2.2 Magnetisches Feld<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Der Magnetismus hat seine Ursache in der Bewegung der Elektronen.<br />
Durch deren Bewegung um den Atomkern wird eine magnetische Kraft<br />
erzeugt. Dabei haben die unterschiedlichen Stoffe auch unterschiedliche<br />
Wirkungen auf äußere Magnetfelder.<br />
Werden paramagnetische Stoffe in ein Magnetfeld gebracht, so nimmt<br />
durch diesen Stoff <strong>da</strong>s Magnetfeld leicht zu. Zu diesen Stoffen gehören<br />
beispielsweise Aluminium und viele Isolierstoffe.<br />
Im Unterschied <strong>da</strong>zu schwächen diamagnetische Stoffe ein Magnetfeld,<br />
in <strong>da</strong>s sie gebracht werden. Diamagnetische Stoffe sind beispielsweise<br />
Kupfer, Silber und Gold.<br />
Stoffe wie Eisen, Nickel und Kobalt sind ferromagnetisch. Werden diese<br />
Stoffe in ein Magnetfeld gebracht, so nimmt <strong>da</strong>s Magnetfeld stark zu.<br />
Das Magnetfeld wird somit auf den ferromagnetischen Stoff konzentriert.<br />
Deshalb sind in elektrischen Maschinen häufig ferromagnetische Stoffe<br />
zu finden.<br />
Ähnlich verhalten sich ferrimagnetische Stoffe. Allerdings verstärken sie<br />
<strong>da</strong>s Magnetfeld nicht ganz so stark wie die ferromagnetische Stoffe. Zu<br />
den ferrimagnetische Stoffen zählen Chromdioxid und Ferrite. Sie werden<br />
vorallem in der Nachrichtentechnik verwendet.<br />
Wird ein elektrischer Leiter von einem Strom durchflossen, so bildet sich<br />
um den Leiter ein Magnetfeld aus. Das Magnetfeld hat <strong>da</strong>bei die Form<br />
von konzentrischen Ringen. Die Richtung der Feldlinien ergibt sich aus<br />
der Schraubenregel. Beim Eindrehen einer Schraube zeigt die Drehrichtung<br />
die Richtung der Feldlinien an, während die Vorwärtsbewegung<br />
der Schraube die Stromrichtung anzeigt.<br />
Werden zwei parallel verlaufende Leiter in der gleichen Richtung von<br />
einem Strom durchflossen, so ziehen sich die Leiter gegenseitig an. Fließt<br />
der Strom <strong>da</strong>gegen in entgegengesetzte Richtungen, so stoßen sich die<br />
beiden Leiter ab.<br />
Durch mehrere in Reihe geschaltete Stromschleifen wird eine Spule gebildet.<br />
Die Feldlinien der einzelnen Windungen werden zusammengefasst<br />
und bilden einen Elektromagneten, wenn die Spule von einem Strom<br />
durchflossen wird.<br />
Die Stelle, an der die Feldlinien aus der Spule austreten, wird als Nordpol<br />
bezeichnet. Da in den nebenein<strong>and</strong>er liegenden Windungen der Spule<br />
der Strom in der gleichen Richtung fließt, ziehen sich die einzelnen Windungen<br />
an und halten die Spule zusammen.<br />
Die Spulen sind ein wichtiger Best<strong>and</strong>teil von Elektromotoren und Transformatoren.<br />
Die magnetische Wirkung ist <strong>da</strong>bei von der Stromstärke und<br />
der Windungszahl abhängig. Das Produkt dieser beiden Werte wird als<br />
Durchflutung bezeichnet.
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Die magnetische Feldstärke ist <strong>da</strong>bei um so größer, je größer die Durchflutung<br />
und je kleiner die Spule und somit die Länge der magnetischen<br />
Feldlinien ist.<br />
Für Magnetspulen ist ein wichtiges Maß die magnetische Flussdichte.<br />
Bei Magnetspulen mit einem Eisenkern wird dieser Wert einer<br />
Magnetisierungskennlinie entnommen, die je nach Material unterschiedlich<br />
ausfällt.<br />
Bei den Materialien, die in elektrischen Maschinen und Transformatoren<br />
verwendet werden, tritt bei einer bestimmten magnetischen Feldstärke<br />
eine magnetische Sättigung ein. Das bedeutet, <strong>da</strong>ss trotz höherer Feldstärke<br />
die Flussdichte nicht weiter erhöht werden kann.<br />
Multipliziert man die magnetische Flussdichte mit dem Querschnitt der<br />
Spule, so erhält man den magnetischen Fluss. In elektrischen Maschinen<br />
ist der magnetische Fluss jedoch auch von der Wicklungszahl und<br />
einem Wicklungsfaktor abhängig. Deshalb wird in diesem Fall der Begriff<br />
magnetischer Verkettungsfluss verwendet.<br />
Bild 56: Feldlinien eines Magnetfeldes<br />
I<br />
115
116<br />
Minos<br />
3.2.3 Induktion<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Fließt durch einen elektrischen Leiter ein Strom, so bildet sich um den<br />
Leiter ein magnetischen Feld aus. Befindet sich nun dieser Leiter in einem<br />
<strong>and</strong>eren Magnetfeld, so beeinflussen sich die beidem Magnetfelder<br />
gegenseitig. Fließt der Strom quer zum äußeren Magnetfeld, wird auf<br />
den Leiter eine Kraft ausgeübt. Diese Kraft wirkt senkrecht auf den Leiter<br />
und wird als Lorenzkraft bezeichnet.<br />
Die Wirkungsrichtung kann mit der Linke-H<strong>and</strong>-Regel bestimmt werden.<br />
Hält man die offene linke H<strong>and</strong> so, <strong>da</strong>ss die Feldlinien auf der Innenfläche<br />
der H<strong>and</strong> auftreffen und die Finger in der Richtung des Stromflusses<br />
zeigen, so gibt der abgespreizte Daumen die Richtung der Kraftwirkung<br />
an. Diese Regel wird auch als Motor-Regel bezeichnet, weil mit Hilfe<br />
eines elektrischen Stromes eine Bewegung erzeugt wird.<br />
In einer Spule sind mehrere Leitungen in Reihe geschaltet. Dadurch kann<br />
die Kraftwirkung vervielfacht werden. Dies wird vorallem in Motoren ausgenutzt.<br />
Aber auch in Bildröhren wird ein Strahl aus Elektronen durch<br />
<strong>da</strong>s Magnetfeld von Spulen abgelenkt. Ein elektrischer Leiter ist in diesem<br />
Fall nicht vorh<strong>and</strong>en, die Bewegung der Elektronen im Magnetfeld<br />
ist ausreichend für <strong>da</strong>s Entstehen der Lorenzkraft.<br />
Wird im Gegensatz <strong>da</strong>zu ein Leiter in einem Magnetfeld bewegt, so entsteht<br />
in dem Leiter eine Spannung. Dieser Vorgang wird als Induktion<br />
bezeichnet. Verbindet man die beiden Enden des Leiters mitein<strong>and</strong>er,<br />
so gleichen sich die Spannungsunterschiede aus und es fließt ein Strom.<br />
Der durch die Induktion fließende Strom bildet wiederum ein Magnetfeld<br />
aus. Dieses Magnetfeld ist so ausgerichtet, <strong>da</strong>ss die Bewegung des Leiters<br />
gehemmt wird. Deshalb muss von außen eine Kraft auf den Leiter<br />
einwirken, <strong>da</strong>mit die Bewegung weitergeführt wird. Dieses Prinzip wird<br />
in einem Generator angew<strong>and</strong>t, bei dem durch einen Antrieb von außen<br />
eine Spannung erzeugt wird, durch die ein Strom fließt.<br />
Zum Bestimmen der Stromrichtung wird die Rechte-H<strong>and</strong>-Regel verwendet.<br />
Hält man die offene rechte H<strong>and</strong> so, <strong>da</strong>ss die Feldlinien des Magnetfeldes<br />
auf die Innenseite der H<strong>and</strong> auftreffen und zeigt der abgespreizte<br />
Daumen in die Bewegungsrichtung, so zeigen die Finger in<br />
die durch die Induktion verursachte Stromrichtung. Diese Regel wird auch<br />
als Generatorregel bezeichnet.<br />
Durch <strong>da</strong>s Zusammenschalten der Leiter zu Schleifen und diese wiederum<br />
zu Spulen kann die induzierte Spannung erhöht werden. Die induzierte<br />
Spannung ist <strong>da</strong>bei um so größer, je mehr Windungen in der Spule<br />
vorh<strong>and</strong>en sind und um so stärker sich der magnetische Fluss ändert.<br />
Dies kann beispielsweise durch die Drehzahl des Generators verändert<br />
werden.
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Befindet sich in einer Spule ein massiver Eisenkern, so werden in diesem<br />
Eisenkern Ströme induziert, wenn die Spule mit einen Wechselstrom<br />
durchflossen wird. Diese Ströme werden als Wirbelströme bezeichnet.<br />
Da Eisen den Strom gut leitet, kann <strong>da</strong>s Fließen der Wirbelströme zu<br />
einer starken Erwärmung des Eisenkernes führen. Um die Wirbelströme<br />
weitgehend zu vermeiden, werden die Eisenkerne aus dünnen Blechen<br />
hergestellt, die gegenseitig durch einen Lacküberzug isoliert sind. Somit<br />
können sich in den einzelnen Blechen nur schwache Wirbelströme ausbilden.<br />
Wird an eine Spule eine Gleichspannung angelegt, so wird beim Einschalten<br />
der Spannung in der Spule ein Magnetfeld aufgebaut. Dabei<br />
wird in der Spule eine Spannung induziert, die den Strom durch die Spule<br />
nur langsam ansteigen lässt. Diese Selbstinduktionsspannung wirkt<br />
also dem Stromfluss entgegen.<br />
Beim Abschalten der Gleichspannung wird ebenfalls durch die Selbstinduktion<br />
eine Spannung erzeugt. Diese wirkt in der gleichen Richtung,<br />
wie der zuvor fließende Strom. Diese Spannungen können so hoch sein,<br />
<strong>da</strong>ss an den Kontakten des Schalters Lichtbogen entstehen und <strong>da</strong>durch<br />
die Kontakte beschädigt werden können.<br />
Um dies zu verhindern, wird parallel zur Spule eine sogenannte Freilaufdiode<br />
geschaltet. Diese sperrt den Stromfluss im normalen Betrieb ab,<br />
lässt beim Abschalten aber den Strom, der durch die Selbstinduktion<br />
entsteht, durch. Der Strom durch die Spule nimmt in diesem Fall langsam<br />
ab und Schäden an den Kontakten des Schalters werden vermieden.<br />
Spulen werden als Induktivität bezeichnet. Mit dem Begriff Induktivität<br />
wird aber auch die Größe der Fähigkeit der Spule bezeichnet, eine Spannung<br />
zu induzieren.<br />
Wird an eine Spule eine Wechselspannung angelegt, so wird dem<br />
Stromfluss durch die Induktion ein Widerst<strong>and</strong> entgegengesetzt. Deshalb<br />
erreicht der Strom seinen maximalen Wert später als die Spannung.<br />
Diese Phasenverschiebung hat wie beim Kondensator einen Wert von<br />
90°. Allerdings eilt im Gegensatz zum Kondensator bei einer Spule die<br />
Spannung dem Strom voraus. Der an einer Spule auftretende Blindwiderst<strong>and</strong><br />
wird als induktiver Blindwiderst<strong>and</strong> bezeichnet.<br />
Wie bei einem elektrischen Feld speichert auch ein Magnetfeld Energie.<br />
Die Menge der Energie hängt <strong>da</strong>bei von der Induktivität der Spule und<br />
von dem die Spule durchfließenden Strom ab.<br />
117
118<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
3.3 Grundlagen der Stromversorgung<br />
3.3.1 Stromerzeugung<br />
Mit dem Begriff Stromerzeugung ist die Umw<strong>and</strong>lung <strong>and</strong>erer Energieformen<br />
in elektrische Energie gemeint. Eine direkte Erzeugung von Energie<br />
ist nicht möglich.<br />
Da <strong>da</strong>s Speichern von elektrischer Energie im großen Maßstab nicht<br />
möglich ist, muss der elektrische Strom immer zu dem Zeitpunkt erzeugt<br />
werden, in dem er verbraucht wird.<br />
In Deutschl<strong>and</strong> wird ein Großteil der elektrischen Energie in Kohle- und<br />
Kernkraftwerken erzeugt. Diesen beiden Kraftwerkstypen ist gemein, <strong>da</strong>ss<br />
durch Wärme aus Wasser heisser Wasser<strong>da</strong>mpf erzeugt wird. Mit diesem<br />
Wasser<strong>da</strong>mpf werden Turbinen angetrieben, die wiederum mit Generatoren<br />
gekoppelt sind. Diese erzeugen schließlich die elektrische<br />
Energie.<br />
Das Erzeugen großer Dampfmengen kann nicht so schnell verändert<br />
werden. Deshalb werden Kraftwerke, in denen der Dampf durch Verbrennen<br />
von Kohle erzeugt wird, als Mittellastwerke eingesetzt. Kernkraftwerke<br />
arbeiten als Grundlastwerke, <strong>da</strong> in diesen <strong>da</strong>s Hochfahren<br />
wesentlich komplizierter ist.<br />
Gasturbinenkraftwerke haben nur kurze Anlaufzeiten und werden im<br />
Mittellastbereich oder als Spitzenlastwerk eingesetzt. Bei ihnen treibt eine<br />
Gasturbine den Generator an.<br />
Zu den regenerativen Energieerzeugern gehören Wasser- und Windkraftwerke.<br />
Auch bei diesen Kraftwerken wird mit einer Turbine oder dem<br />
Rotorblatt ein Generator angetrieben.<br />
Ohne einen Generator kommen Solarkraftwerke mit Fotovoltaik aus. In<br />
den Solarzellen wird direkt aus dem Licht elektrische Energie gewonnen.<br />
Solarthermische Kraftwerke <strong>da</strong>gegen erzeugen wiederum Dampf,<br />
mit dem Turbinen und Generatoren angetrieben werden.<br />
Eine weitere Möglichkeit, ohne den Einsatz eines Generators elektrische<br />
Energie zu erzeugen, besteht bei Brennstoffzellen. Hier reagiert Wasserstoff<br />
mit Sauerstoff zu Wasser, wobei eine elektrische Spannung erzeugt<br />
wird. Im großen Maßstab werden Brennstoffzellen aber noch nicht<br />
zur Energieerzeugung eingesetzt.<br />
Das Speichern elektrischer Energie wird vor allem mit Pumpspeicherwerken<br />
durchgeführt. Überschüssige Energie wird genutzt, um Wasser<br />
in höher gelegene Becken zu fördern. Zu Spitzenbe<strong>da</strong>rfszeiten wird <strong>da</strong>mit<br />
über Turbinen wieder elektrische Energie erzeugt.
3.3.2 Stromtransport und -verteilung<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Die Verteilung der in Kraftwerken erzeugten elektrischen Energie erfolgt<br />
mit Übertragungsnetzwerken. Diese werden bei Spannungen über 1000 V<br />
als Hochspannungsnetzwerke bezeichnet.<br />
Im allgemeinen h<strong>and</strong>elt es sich bei den Hochspannungsnetzwerken um<br />
Drehstromnetze. Sie verwenden Spannungen von 110 kV, 220 kV oder<br />
380 kV. Spannungen ab 220 kV werden auch als Höchstspannung bezeichnet.<br />
Die Netze mit 220 kV und 380 kV übertragen die elektrische Energie<br />
über große Entfernungen. Vor allem große Kraftwerke sind mit 380 kV<br />
an <strong>da</strong>s Energienetz angeschlossen. Diese Netze sind fast immer als Freileitungen<br />
realisiert.<br />
Nicht mit Drehstrom arbeiten die Einphasen-Netzwerke der Bahn sowie<br />
Leitungen mit Höchstspannungs-Gleichstrom. Die Übertragung von<br />
Gleichstrom ist zwar aufwändiger, bei großen Entfernungen sind aber<br />
die Leitungsverluste geringer <strong>da</strong> kein Blindwiderst<strong>and</strong> auftritt.<br />
Als Mittelspannungsnetze werden Netze bezeichnet, die vor allem 10 kV,<br />
20 kV oder 30 kV verteilen. Sie sind durch Transformatoren in Umspannwerken<br />
mit dem Hochspannungsnetz und mit dem Niederspannungsnetz<br />
verbunden.<br />
Großverbraucher sind direkt an <strong>da</strong>s Mittelspannungsnetz angeschlossen.<br />
Die Verteilung der Energie erfolgt entweder mit Freileitungen an<br />
Masten oder durch in der Erde verlegte Kabel. Im ländlichen Bereich<br />
werden <strong>da</strong>bei Freileitungen bevorzugt, während in Städten eher unterirdisch<br />
verlegte Kabel verwendet werden.<br />
Die Verteilung zu den einzelnen Kleinverbrauchern erfolgt über <strong>da</strong>s<br />
Niederspannungsnetz. Es wird mit 400 V/230 V betrieben. Auch hier<br />
kommen Freileitungen und Erdkabel zum Einsatz.<br />
Im Erdreich verlegte Kabel sind weniger störanfällig als Freileitungen,<br />
benötigen weniger Platz und beeinträchtigen <strong>da</strong>s Ortsbild nicht. Dafür ist<br />
<strong>da</strong>s Verlegen infolge der Er<strong>da</strong>rbeiten kostenintensiver. Als Leiterwerkstoff<br />
kann sowohl Aluminium als auch Kupfer verwendet werden.<br />
Die Verbindung der Verteilungsnetzes mit dem Abnehmer der Energie<br />
erfolgt mit dem Hausanschluss. Im Hauptanschlusskasten sind auch die<br />
Sicherungen für die einzelnen Leiter vorh<strong>and</strong>en.<br />
119
120<br />
Minos<br />
3.4 Transformatoren<br />
3.4.1 Idealer Transformator<br />
Beispiel<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Ein Transformator besteht in den meisten Fällen aus zwei Spulen, die<br />
elektrisch nicht mitein<strong>and</strong>er verbunden sind. Die Kopplung der Spulen<br />
erfolgt durch ein magnetisches Feld. Der Eisenkern des Transformators<br />
leitet den magnetischen Fluss.<br />
Bei einem idealen Transformator treten keine Verluste auf, der Wirkungsgrad<br />
beträgt 100 %. Ein realer Transformator, an dessen Ausgangswicklung<br />
kein Lastwiderst<strong>and</strong> angeschlossen ist, gleicht einem idealen<br />
Transformator. Dies wird als Leerlauf des Transformators bezeichnet.<br />
Mit einem Transformator können Spannungen, Stromstärken, Widerstände,<br />
Kapazitäten und Induktivitäten übersetzt werden.<br />
Die Spannungen verhalten sich bei einem idealen Transformator wie die<br />
Windungszahlen:<br />
ü Übersetzungsverhältnis<br />
U Eingangsspannung<br />
1<br />
U Ausgangsspannung<br />
2<br />
N Windungszahl der Eingangsseite<br />
1<br />
Windungszahl der Ausgangsseite<br />
N 2<br />
ü = U 1 / U 2 = N 1 / N 2<br />
Die Ströme verhalten sich bei einem idealen Transformator umgekehrt<br />
wie die Windungszahlen:<br />
I1 I2 N1 N2 Stromstärke der Eingangsseite<br />
Stromstärke der Ausgangsseite<br />
Windungszahl der Eingangsseite<br />
Windungszahl der Ausgangsseite<br />
ü = I 1 / I 2 = N 2 / N 1<br />
Ein als ideal betrachteter Transformator hat eine Wicklungszahl auf der<br />
Eingangsseite von 200 und auf der Ausgangsseite von 800 Windungen.<br />
Die Spannung auf der Eingangsseite beträgt 48 V. Wie hoch ist die Spannung<br />
auf der Ausgangsseite? Wie hoch ist der Strom auf der Eingangsseite,<br />
wenn auf der Ausgangsseite ein Strom von 2 A fließt?<br />
Spannungen:<br />
U 1 / U 2 = N 1 / N 2<br />
48 V / U 2 = 200 / 800<br />
U 2 = 192 V<br />
Die Ausgangsspannung beträgt 192 V.
Beispiel<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Stromstärken:<br />
I 1 / I 2 = N 2 / N 1<br />
I 1 / 2 A = 800 / 200<br />
I 1 = 8 A<br />
Die Stromstärke auf der Eingangsseite beträgt 8 A.<br />
Minos<br />
Die angeschlossenen Widerstände überträgt ein idealer Transformator<br />
im Quadrat des Übersetzungsverhältnisses:<br />
ü Übersetzungsverhältnis<br />
Z Scheinwiderst<strong>and</strong> der Eingangsseite<br />
1<br />
Z Scheinwiderst<strong>and</strong> der Ausgangsseite<br />
2<br />
N Windungszahl der Eingangsseite<br />
1<br />
Windungszahl der Ausgangsseite<br />
N 2<br />
ü2 2 2<br />
= Z / Z = N / N2<br />
1 2 1<br />
Ein als ideal betrachteter Transformator hat eine Wicklungszahl auf der<br />
Eingangsseite von 200 und auf der Ausgangsseite von 800 Windungen.<br />
Auf der Ausgangsseite ist ein Widerst<strong>and</strong> von 500 Ω angeschlossen. Mit<br />
welcher Ohmzahl wirkt dieser Widerst<strong>and</strong> auf der Eingangsseite?<br />
2 2<br />
Z / Z = N / N2<br />
1 2 1<br />
Z 1 / 500 Ω = 200 2 / 800 2<br />
Z 1 = 31,25 Ω<br />
Der Transformator überträgt <strong>da</strong>bei nicht nur Scheinwiderstände, es werden<br />
auch Wirkwiderstände, kapazitive und induktive Blindwiderstände<br />
sowie Kapazitäten und Induktivitäten übertragen.<br />
Für die Kapazitäten C und die Induktivitäten L gelten <strong>da</strong>bei folgende<br />
Berechnungen:<br />
Kapazitäten:<br />
1 / ü 2 = C 1 / C 2<br />
Induktivitäten:<br />
ü 2 = L 1 / L 2<br />
121
122<br />
Minos<br />
3.4.2 Realer Transformator<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Ein realer Transformator befindet sich im Leerlauf, wenn sich an der<br />
Ausgangswicklung kein Lastwiderst<strong>and</strong> befindet. Somit verhält sich ein<br />
Transformator im Leerlauf wie eine Spule mit einer großen Induktivität.<br />
Wird die Eingangsseite des Transformators an eine zu große Spannung<br />
angeschlossen, so steigt in der Folge auch der Magnetisierungsstrom<br />
stark an. Dies kann zum Verbrennen der Wicklung und somit zur Zerstörung<br />
des Transformators führen.<br />
Durch Luftspalte im Eisenkern des Transformators steigen die Leerlaufströme<br />
an. Dadurch sinkt der Leistungsfaktor des Transformators. Um<br />
dies zu Vermeiden, werden die Bleche des Eisenkernes so überein<strong>and</strong>er<br />
geschichtet, <strong>da</strong>ss sich die Stoßstellen abwechselnd auf verschiedenen<br />
Seiten des Eisenkerns befinden.<br />
Der Einschaltstrom kann bei Transformatoren sehr hohe Werte bis zu<br />
mehr als dem Zehnfachen des Bemessungsstromes betragen. Diese<br />
starken Ströme können auch <strong>da</strong>nn auftreten, wenn der Transformator<br />
nicht belastet ist. Die Sicherungen an der Eingangsseite des Transformators<br />
müssen aus diesem Grund etwa für den doppelten Bemessungsstrom<br />
ausgelegt werden.<br />
Bei Transformatoren unter Last verläuft ein Teil der Feldlinien des Magnetfeldes<br />
auch außerhalb des Eisenkernes und somit durch die Luft.<br />
Dieser magnetische Fluss wird als Streufluss bezeichnet und erfordert<br />
bei vielen Transformatoren eine Abschirmung. Dies gilt besonders bei<br />
der Nachrichtentechnik.<br />
Zum Ermitteln der Kurzschlussspannung des Transformators werden die<br />
beiden Anschlüsse der Ausgangsseite mitein<strong>and</strong>er verbunden, also kurzgeschlossen.<br />
Die Kurzschlussspannung ist nun die Spannung an der<br />
Eingangsseite, bei der der Transformator seinen Bemessungsstrom aufnimmt.<br />
Eine niedrige Kurzschlussspannung bedeutet einen kleinen Innenwiderst<strong>and</strong><br />
des Transformators. Bei diesen Transformatoren sinkt die<br />
Ausgangsspannung bei Belastung nur wenig ab. Allerdings treten bei<br />
kleinen Innenwiderständen hohe Kurzschlussströme auf. Diese können<br />
zur Zerstörung der Wicklung und somit des gesamten Transformators<br />
führen.<br />
Transformatoren, die einen kleinen Innenwiderst<strong>and</strong> haben, werden als<br />
spannungssteif bezeichnet, Transformatoren mit einem hohen Innenwiderst<strong>and</strong><br />
<strong>da</strong>gegen als spannungsweich.<br />
Bei Drehstrom- und Netzanschlußtransformatoren liegt die<br />
Kurzschlussspannung bei unter 10 % der Bemessungsspannung, bei<br />
Klingeltransformatoren <strong>da</strong>gegen bei etwa 40 %.
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Das Verhältnis von abgegebener zu aufgenommener Wirkleistung des<br />
Transformators wird als Wirkungsgrad bezeichnet. Der Wirkungsgrad wird<br />
durch die Eisen- und die Wicklungsverluste verringert.<br />
Unabhängig von der Belastung ist der magnetische Fluss im Eisenkern<br />
ungefähr gleich bleibend. Die Eisenverlustleistung ist deshalb immer<br />
gleich hoch.<br />
Die Wicklungsverlustleistung nimmt jedoch quadratisch im Verhältnis zur<br />
Belastung zu. Der Wirkungsgrad eines Transformators hängt somit insgesamt<br />
von seiner Belastung ab. Bei Netztransformatoren sind die beiden<br />
Verlustleistungen etwa gleich groß.<br />
Wird ein Transformator ohne Last betrieben, so entstehen in der Ausgangswicklung<br />
keine Wicklungsverluste. Auch in der Eingangswicklung<br />
sind die Wicklungsverluste in diesem Fall sehr gering weil nur sehr kleine<br />
Ströme fließen.<br />
Die von einem Transformator im Leerlauf aufgenommene Leistung entspricht<br />
somit der Verluste im Eisenkern. Die Eisenverlustleistung kann<br />
also im Leerlaufversuch gemessen werden.<br />
Die Wicklungsverlustleistung wird <strong>da</strong>gegen im Kurzschlußversuch mit<br />
der Bemessungslast gemessen. In diesem Fall fließen durch die Wicklungen<br />
die Bemessungsströme und verursachen die Wicklungsverlustleistung.<br />
Durch die beim Kurzschlußversuch kleinen Spannungen ist der magnetische<br />
Fluss im Eisenkern sehr klein und es entsteht kaum eine Eisenverlustleistung.<br />
Als Jahreswirkungsgrad wird <strong>da</strong>s Verhältnis der innerhalb eines Jahres<br />
abgegebenen Arbeit zu der im gleichen Zeitraum aufgenommenen Arbeit<br />
bezeichnet. Die Differenz beider Werte ist die Verlustarbeit des Transformators.<br />
Da die Verluste durch den Eisenkern unabhängig von der Belastung sind,<br />
entsteht ein geringerer Jahreswirkungsgrad, wenn der Transformator<br />
lange Zeit eingeschaltet ist und nur zeitweise belastet wird.<br />
Werden Transformatoren nur kurzzeitig belastet obwohl sie lange eingeschaltet<br />
sind, so sollten sie so aufgebaut sein, <strong>da</strong>ss die Eisenverluste<br />
kleiner sind als die Wicklungsverluste.<br />
123
124<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
3.5 Drehende elektrische Maschinen<br />
3.5.1 Einleitung<br />
In drehenden elektrischen Maschinen befindet sich ein Läufer, auch Rotor<br />
genannt, der sich während des Betriebes dreht. Es kann auch allgemein<br />
von elektrischen Maschinen gesprochen werden, wenn keine Verwechslung<br />
mit <strong>and</strong>eren elektrischen Maschinen möglich ist.<br />
Entsprechend ihren Aufgaben wird nach Motoren, Generatoren und<br />
Umformern unterschieden.<br />
Mit Motoren wird elektrische Energie in mechanische Energie umgew<strong>and</strong>elt.<br />
Motoren werden sehr häufig eingesetzt und dienen vielfach als Antrieb.<br />
Die Umw<strong>and</strong>lung von mechanischer Energie in elektrische Energie erfolgt<br />
mit Generatoren. Da elektrische Energie meistens in größeren Anlagen<br />
erzeugt wird, sind Generatoren im Allgemeinen größer als Motoren.<br />
Kleine Generatoren werden in Notstromversorgungen eingesetzt.<br />
Auch in Kraftfahrzeugen sind kleine Generatoren vorh<strong>and</strong>en. Dort werden<br />
sie als Lichtmaschine bezeichnet.<br />
Zum Umw<strong>and</strong>eln einer elektrischen Energie mit einer bestimmten Spannung<br />
und Frequenz in eine <strong>and</strong>ere Spannung oder Frequenz werden<br />
elektrische Umformer verwendet. Diese Aufgabe wird allerdings heute<br />
durch die Entwicklung in der Elektronik häufig von Umrichtern übernommen.<br />
Dabei h<strong>and</strong>elt es sich um elektronische Geräte, die keine drehenden<br />
Bauteile haben.<br />
Drehende elektrische Maschinen können mit verschiedenen Stromarten<br />
betrieben werden. Sehr häufig wird Drehstrom verwendet, die elektrischen<br />
Maschinen werden deshalb als Drehstrommaschinen bezeichnet.<br />
Einphasenwechselstrommaschinen werden wie die Drehstrommaschinen<br />
mit Wechselstrom betrieben. Im Gegensatz zum Drehstrom wird allerdings<br />
statt der drei Phasen nur eine verwendet. Gleichstrommaschinen<br />
sind ebenfalls im Einsatz, kommen jedoch etwas seltener zum Einsatz.<br />
Eine weitere Bezeichnung für elektrische Motoren ist Drehfeldmaschine.<br />
Diese Bezeichnung wird verwendet, wenn die Wirkung des Motors durch<br />
ein drehendes Magnetfeld erzeugt wird.<br />
Synchronmaschinen sind elektrische Maschinen, bei denen die Drehzahl<br />
gleich der Drehzahl des Drehfeldes ist. Im Gegensatz <strong>da</strong>zu ist die<br />
Drehzahl bei Asynchronmaschinen kleiner oder größer als die Drehzahl<br />
des Drehfeldes.<br />
Bei Induktionsmotoren wird die elektrische Energie durch Induktion auf<br />
den Läufer übertragen. Es sind somit keine Schleiferkontakte erforderlich.
3.5.2 Drehfeldmaschinen<br />
U<br />
120° 120°<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Beim Drehen eines stabförmigen Dauermagneten um seinen Mittelpunkt<br />
dreht sich <strong>da</strong>s Magnetfeld mit. Es entsteht ein Drehfeld.<br />
Mit Dreiphasenwechselstrom kann ein Drehfeld auch ohne Bewegung<br />
eines Magneten erzeugt werden. Dazu werden drei Spulen gleichmäßig<br />
so angeordnet, <strong>da</strong>ss sie jeweils um 120° versetzt sind.<br />
Werden die drei Magnetspulen von einem Dreiphasenwechselstrom<br />
durchflossen, wird von jeder Magnetspule ein Magnetfeld erzeugt. Diese<br />
verbinden sich zu einem resultierendem Magnetfeld.<br />
Da die einzelnen Phasen des Wechselstromes ebenfalls um 120° versetzt<br />
sind, bildet sich durch die drei Spulen ein zweipoliges Drehfeld<br />
aus. Während einer Periode dreht sich <strong>da</strong>s resultierende Drehfeld einmal<br />
um 360°. Bei einer Frequenz von 50 Hz ergibt sich somit eine Drehzahl<br />
von 3000 Umdrehungen pro Minute.<br />
Bei der Verwendung von sechs Spulen werden diese um 60° versetzt<br />
angeordnet. Es entsteht ein vierpoliges Drehfeld, <strong>da</strong>s sich während einer<br />
Periode nur eine halbe Umdrehung weiterdreht. Bei 50 Hz ergibt sich<br />
somit eine Drehzahl von 1500 Umdrehungen pro Minute.<br />
90° 180° 270°<br />
Bild 57: Feldlinien eines elektrischen Feldes<br />
360°<br />
α<br />
t<br />
U<br />
X<br />
W<br />
S<br />
Z<br />
N<br />
Y<br />
V<br />
120°<br />
125
126<br />
Minos<br />
3.5.3 Drehmoment und Leistung<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Sowohl bei Motoren, die elektrische Energie in mechanische Energie<br />
umw<strong>and</strong>eln, als auch bei Generatoren, die mechanische Energie in elektrische<br />
Energie umw<strong>and</strong>eln, treten während des Betriebes Verluste auf.<br />
Durch diese Verluste entsteht Wärme.<br />
Als Eisenverluste werden die Verluste bezeichnet, die durch Wirbelströme<br />
und die Ummagnetisierung im magnetischen Material entstehen.<br />
Wicklungsverluste sind die Verluste, die durch die Widerstände der Wicklungen<br />
entstehen, wenn sie von Strom durchflossen werden.<br />
Zusätzlich treten Verluste durch den Lüfter auf. Auch die Reibung in den<br />
Lagern oder an den Bürsten verursacht Verluste.<br />
Die Gesamtheit der Verluste wird durch den Wirkungsgrad des Motors<br />
charakterisiert. Dieser ist <strong>da</strong>s Verhältnis der abgegebenen Leistung zur<br />
aufgenommenen Leistung.<br />
Die abgegebene Leistung des Motors wird bestimmt, in dem <strong>da</strong>s Drehmoment<br />
und die Drehzahl gemessen werden. Die aufgenommene Leistung<br />
wird dem Netz entnommen und kann mit entsprechenden<br />
Messgeräten bestimmt werden.<br />
Das Drehmoment stellt die Kraft am Umfang der Antriebswelle <strong>da</strong>r. Es<br />
wird beispielsweise mit Pendelmaschinen gemessen.<br />
Pendelmaschinen werden auch als Leistungswaage bezeichnet. Sie<br />
bestehen aus einem Gleichstromgenerator, bei dem der äußere Teil, der<br />
Ständer, drehbar gelagert ist. Bei der Drehmomentmessung wirkt auf<br />
<strong>da</strong>s Gehäuse des Generators ebenfalls ein Drehmoment.<br />
Dieses Drehmoment wird mittels eines Hebels auf eine Waage übertragen,<br />
wo die durch <strong>da</strong>s Drehmoment erzeugte Kraft abgelesen werden<br />
kann. Die im Generator erzeugte elektrische Energie wird mit Hilfe von<br />
Belastungswiderständen in Wärme umgew<strong>and</strong>elt.<br />
Das Produkt aus der Bemessungsdrehzahl des Motors und dem<br />
Bemessungsmoment ergibt die Bemessungsleistung. Dabei h<strong>and</strong>elt es<br />
sich um die an der Welle zur Verfügung stehenden mechanischen Leistung.<br />
Die wichtigsten Werte sind auf dem Leistungsschild des Motors<br />
angegeben.<br />
Die Drehsinn des Motors gibt an, in welcher Richtung sich die Welle<br />
dreht, wenn man auf <strong>da</strong>s Wellenende blickt. Eine Drehung im Uhrzeigersinn<br />
gilt als Rechtslauf, entgegengesetzt als Linkslauf.<br />
Werden die Klemmen U1, V1 und W1 eines Drehstrommotors mit den<br />
Außenleitern L1, L2 und L3 verbunden, so ergibt sich ein Rechtslauf. Die<br />
Drehrichtung kann durch <strong>da</strong>s Vertauschen von zwei Außenleitern umgekehrt<br />
werden.
3.6 Asynchronmotoren<br />
Beispiel<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Asynchronmotoren werden mit Wechsel- oder Drehstrom betrieben und<br />
sehr häufig eingesetzt. Durch <strong>da</strong>s Drehfeld im Ständer wird eine Spannung<br />
im Läufer induziert, wodurch sich dieser dreht.<br />
Die Übertragung der Energie in den Läufer erfolgt durch Induktion. Die<br />
Asynchronmotoren werden deshalb auch als Induktionsmotoren bezeichnet.<br />
Es sind keine Bürsten erforderlich, die einen Strom in den Läufer<br />
übertragen.<br />
Bei Asynchronmaschinen unterscheidet sich die Drehzahl des Läufers<br />
etwas von der Drehzahl des Drehfeldes im Ständer. Dieser Unterschied<br />
wird als Schlupf bezeichnet. Er wird häufig in Prozent der Drehfelddrehzahl<br />
angegeben und liegt bei Motoren im Bereich von 3 bis 8 % der<br />
Drehzahl des Drehfeldes.<br />
Bei Asynchronmotoren ist die Drehzahl des Läufers geringer als die Drehzahl<br />
des Drehfeldes. Im Unterschied <strong>da</strong>zu ist die Drehzahl eines<br />
Asynchrongenerators etwas größer als die Drehzahl des Drehfeldes.<br />
Wird ein Asynchronmotor durch eine äußere Kraft angetrieben und <strong>da</strong>durch<br />
die Drehzahl des Läufers erhöht, so arbeitet er als Generator.<br />
Asynchrongeneratoren werden für Nennleistungen bis zu etwa 5 kW eingesetzt.<br />
Ein Asynchrongenerator muss mit dem Netz verbunden sein, <strong>da</strong>mit <strong>da</strong>s<br />
Ständerdrehfeld erzeugt wird. Dabei wird aus dem Netz Blindleistung<br />
aufgenommen. An <strong>da</strong>s Netz geben die Asynchrongeneratoren jedoch<br />
Wirkleistung ab.<br />
Ein zweipoliger Drehstrommotor ist an ein Netz mit 50 Hz angeschlossen.<br />
Sein Läufer dreht sich mit einer Drehzahl von 2850 Umdrehungen<br />
pro Minute. Wie groß ist der Schlupf?<br />
Bei einem zweipoligen Motor an 50 Hz dreht sich <strong>da</strong>s Drehfeld mit<br />
3000 Umdrehungen pro Minute. Somit beträgt die Differenz der Drehfelddrehzahl<br />
zur Drehzahl des Läufers 150 Umdrehungen pro Minute.<br />
Der Schlupf ergibt sich aus der Drehzahldifferenz im Verhältnis zur Drehfelddrehzahl:<br />
s = 150 min -1 / 3000 min -1 = 0,05 = 5,0 %.<br />
Wird die Belastung des Motors erhöht, so sinkt die Drehzahl des Motors<br />
ab. Der Schlupf ist somit von der Belastung abhängig.<br />
127
128<br />
Minos<br />
3.6.1 Kurzschlussläufer<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Der Läufer von Asynchronmotoren wird als Kurzschlussläufer bezeichnet.<br />
Neben der Welle und einem Blechpaket enthält der Kurzschlussläufer<br />
zwei Kurzschlussringe, die durch Stäbe mitein<strong>and</strong>er verbunden sind.<br />
Die Stäbe verlaufen durch die Nuten im Blechpaket. Dabei bilden die<br />
Stäbe und die beiden Kurzschlussringe ohne <strong>da</strong>s Blechpaket einen Käfig,<br />
weshalb Kurzschlussläufermotoren auch als Käfigläufermotoren bezeichnet<br />
werden.<br />
Die Stäbe sind meistens etwas schräg angeordnet, wodurch <strong>da</strong>s Drehmoment<br />
unabhängig von der Stellung des Läufers wird. Die Form der<br />
Stäbe ist oft rund, es kommen jedoch auch rechteckige Stäbe vor.<br />
Das Material des Käfigs ist entweder Aluminium oder Kupfer. Da bei<br />
Kupfer die Verluste geringer sind als bei Aluminium ist auch der Wirkungsgrad<br />
etwas höher. Durch die geringeren Verluste sind bei Läufern<br />
aus Kupfer auch keine Kühlrippen an den Kurzschlussringen erforderlich<br />
wie bei Aluminiumläufern.<br />
Weiterhin werden Motoren mit Kupferläufer auch als Energiesparmotor<br />
bezeichnet. Allerdings ist <strong>da</strong>s Anzugsmoment bei Motoren mit Kupferläufer<br />
geringer als bei Motoren mit Aluminiumläufer, <strong>da</strong> der Wirkwiderst<strong>and</strong><br />
bei Kupfer geringer ist.<br />
Durch <strong>da</strong>s Drehfeld im Ständer des Motors wird <strong>da</strong>s Drehfeld erzeugt.<br />
Dadurch wird eine Spannung in dem Käfig des Läufer erzeugt und ein<br />
Strom fließt durch die Leiter des Käfigs, die durch die Kurzschlussringe<br />
mitein<strong>and</strong>er verbunden sind.<br />
Durch den Strom im Läufer entsteht ein Magnetfeld, <strong>da</strong>s den Läufer in<br />
die Drehrichtung des Ständerdrehfeldes dreht. Würde <strong>da</strong>bei der Läufer<br />
die gleiche Drehzahl erreichen wie <strong>da</strong>s Ständerdrehfeld, so würde im<br />
Läufer keine Spannung mehr induziert und auch kein Drehmoment mehr<br />
erzeugt.<br />
Aus diesem Grund muss bei Asynchronmotoren die Läuferdrehzahl um<br />
den Schlupf stets kleiner sein als die Drehzahl des Ständerdrehfeldes.<br />
Bei Kurzschlussläufermotoren befindet sich der Läufer meistens im Inneren<br />
des Ständers. Es ist jedoch auch möglich, den Läufer außen anzuordnen.<br />
Vor allem bei kleinen Motoren sind Außenläufermotoren üblich.<br />
Der Außenläufer wird in diesem Fall direkt zum Antrieb genutzt, beispielsweise<br />
zum Antrieb von Förderbändern.
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
3.6.2 Kurzschlussläufermotoren für Einphasenwechselstrom<br />
Minos<br />
Bei einen Motor für Einphasenwechselstrom entsteht ein magnetisches<br />
Wechselfeld. Diese kann in zwei gleich starke, aber in entgegengesetzter<br />
Drehrichtung wirkende Drehfelder zerlegt werden.<br />
Ein Motor entsprechend dieser Bauart wird als Anwurfmotor bezeichnet.<br />
Nach dem Anwerfen in eine Drehrichtung übt <strong>da</strong>s magnetische Wechselfeld<br />
auf den Kurzschlussläufer ein Drehmoment aus und der Motor dreht<br />
sich weiterhin in der angeworfenen Richtung.<br />
Eine <strong>and</strong>ere Bauform besteht <strong>da</strong>rin, neben der Hauptwicklung eine um<br />
90° versetzte Nebenwicklung im Ständer anzuordnen. Damit im Ständer<br />
ein Drehfeld erzeugt wird, ist eine zeitliche Verschiebung des Stromes in<br />
der Nebenwicklung gegenüber der Hauptwicklung erforderlich. Durch <strong>da</strong>s<br />
resultierende Drehfeld können diese Einphasenmotoren auch von selbst<br />
anlaufen.<br />
Die Phasenverschiebung der Hilfswicklung gegenüber der Hauptwicklung<br />
kann durch Kondensatoren, durch Wirkwiderstände oder durch eine zusätzliche<br />
Induktivität der Hilfsspule erreicht werden. Da Einphasenmotoren<br />
mit zusätzlichen Induktivitäten nur ein geringes Anlaufmoment<br />
haben, wird diese Bauform nur selten verwendet.<br />
Bei Kondensatormotoren wird die Phasenverschiebung durch einen Kondensator<br />
erzeugt. Sie haben Bemessungsleistungen bis zu etwa 2 kW.<br />
Die Drehrichtung wird durch Ändern der Stromrichtung in der Nebenwicklung<br />
erreicht. Die Beschaltung der Hauptwicklung bleibt <strong>da</strong>bei unverändert.<br />
Das Anzugsmoment von Kondensatormotoren hängt von der Größe des<br />
Kondensators ab. Für ein großes Anzugsmoment wird deshalb zum<br />
Betriebskondensator ein Anlasskondensator parallel geschaltet.<br />
Der Anlasskondensator muss nach dem Hochlaufen des Motors abgeschaltet<br />
werden, <strong>da</strong> durch die hohe Gesamtkapazität ein großer Strom<br />
durch die Nebenwicklung fließt und diese <strong>da</strong>durch im Dauerbetrieb zu<br />
stark erwärmt wird.<br />
Je kW Motorleistung sollte der Betriebskondensator eine Blindleistung<br />
von 1,3 kvar aufweisen. Der Anlasskondensator sollte einen etwa dreimal<br />
so hohen Wert haben.<br />
Für Motoren bis etwa 300 W kann anstelle des Kondensators auch eine<br />
Widerst<strong>and</strong>swicklung verwendet werden. Auch diese muss nach dem<br />
Hochlaufen des Motors abgeschaltet werden um eine Überhitzung zu<br />
vermeiden. Anschließend arbeitet der Motor wie ein Anlassmotor.<br />
129
130<br />
Minos<br />
W1<br />
V2<br />
U1<br />
W2<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Mit Hilfe der Steinmetzschaltung können übliche Drehstrommotoren auch<br />
an einer Wechselspannung betrieben werden. Allerdings muss der Drehstrommotor<br />
für eine Spannung von 230 V in Dreieckschaltung geeignet<br />
sein, <strong>da</strong>mit er an 230 V Wechselspannung angeschlossen werden kann.<br />
Eine der Wicklungen des Drehstrommotors wird direkt mit dem Netz verbunden.<br />
Der Kondensator wird parallel zu einer der beiden <strong>and</strong>eren Wicklungen<br />
geschaltet. Je nach Wicklung ergibt sich eine Drehung nach rechts<br />
oder links.<br />
Da die Ströme durch die einzelnen Stränge unterschiedlich groß sind,<br />
entsteht ein elliptisches Drehfeld. Allerdings kann der Motor durch diese<br />
Form des Drehfeldes nur mit bis zu 70 % seiner Bemessungsleistung für<br />
Drehstrom betrieben werden. Auch <strong>da</strong>s Anzugsmoment ist nur etwa halb<br />
so groß wie im Drehstrombetrieb.<br />
Die erforderliche Kapazität ist abhängig von der Bemessungsspannung.<br />
Bei 230 V sollte mit etwa 70 µF je kW Bemessungsleistung des Motors<br />
gerechnet werden.<br />
Rechtslauf<br />
W2<br />
V1<br />
U2<br />
U1<br />
Bild 58: Drehstrommotor an Einphasenwechselstrom<br />
L<br />
L N<br />
W1<br />
V2<br />
U2<br />
V1<br />
N<br />
W1<br />
V2<br />
U1<br />
W2<br />
Linkslauf<br />
W2<br />
V1<br />
U2<br />
L<br />
L N<br />
U1<br />
W1<br />
V2<br />
U2<br />
V1<br />
N
3.7 Stromwendermotoren<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Stromwendermotoren arbeiten vorallem mit Gleichstrom. Es gibt aber<br />
auch Stromwendermotoren für Wechselstrom.<br />
Der eigentliche Stromwender befindet sich auf dem Läufer, der hier Anker<br />
genannt wird. Er besteht aus vielen einzelnen Streifen aus Kupfer,<br />
die gegenein<strong>and</strong>er isoliert sind. Diese einzelnen Streifen sind jeweils mit<br />
den einzelnen Wicklungen des Ankers verbunden. Andere Bezeichnungen<br />
für den Stromwender sind Kollektor oder Kommutator.<br />
Am äußeren Rahmen des Motors, dem Ständer, sind in Halterungen die<br />
Büsten aus Kohle oder Graphit befestigt. Mit Federkraft werden die Bürsten<br />
gegen die Kupferstreifen des Stromwenders gedrückt. Während der<br />
Drehung des Ankers gleiten die Bürsten somit über die Kupferstreifen.<br />
Von den Bürsten gelangt der elektrische Strom über den Stromwender<br />
in den Anker des Motors. Da durch die Drehbewegung des Ankers die<br />
Bürsten der Reihe nach mit den Kupferstreifen Kontakt haben, werden<br />
auch die mit diesen Streifen verbundenen Wicklungen des Ankers der<br />
Reihe nach von Strom durchflossen.<br />
Der Ständer von Stromwendermotoren wird auch als Magnetgestell bezeichnet.<br />
Darin wird ein feststehendes Magnetfeld erzeugt. Bei<br />
Gleichstrommotoren bis zu etwa 20 kW wird dieses Magnetfeld auch mit<br />
Dauermagneten erzeugt. Der Vorteil von Dauermagneten besteht <strong>da</strong>rin,<br />
<strong>da</strong>ss keine Verluste in einer Erregerwicklung entstehen und somit der<br />
Motor insgesamt einen größeren Wirkungsgrad hat.<br />
Wenn die Leiterschleifen des Ankers von einem Strom durchflossen<br />
werden, so überlagert sich <strong>da</strong>s <strong>da</strong>bei entstehende Magnetfeld mit dem<br />
Magnetfeld des Ständers. Dadurch wird auf den Anker ein Drehmoment<br />
ausgeübt. Über die Bürsten und den Stromwender werden bei der Drehbewegung<br />
immer die Schleifen des Ankers von Strom durchströmt, die<br />
ein großes Drehmoment erzeugen.<br />
Durch eine entsprechend große Anzahl von Ankerschleifen wird während<br />
der Umdrehung des Ankers ein gleichmäßig großes Drehmoment<br />
erzeugt.<br />
Bei Belastung der Gleichstrommaschine wird durch <strong>da</strong>s Magnetfeld des<br />
Ankers <strong>da</strong>s gesamte Magnetfeld etwas verdreht. Da die Bürsten in diesem<br />
Fall nicht an der optimalen Position den Anker mit Strom versorgen<br />
entsteht an den Bürsten ein starkes Bürstenfeuer.<br />
Die Verdrehung des Magnetfeldes kann durch Wendepole verhindert<br />
werden. Dabei h<strong>and</strong>elt es sich um Wicklungen, die um 90° zum Hauptmagnetfeld<br />
versetzt im Ständer angeordnet sind. Die Wendepole werden<br />
in Reihe mit dem Anker geschaltet und somit von dem gleichen Strom<br />
durchflossen.<br />
131
132<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Die Anschlüsse von Gleichstrommotoren und von Gleichstromgeneratoren<br />
werden gleichartig bezeichnet. Es werden folgende Buchstaben<br />
verwendet:<br />
A Ankerwicklung,<br />
B Wendepolwicklung,<br />
C Kompensationswicklung,<br />
D Reihenschlusswicklung,<br />
E Nebenschlusswicklung,<br />
F Fremderregte Wicklung.<br />
Mit Ziffern vor diesen Buchstaben werden unterschiedliche Wicklungen<br />
bezeichnet. Ziffern <strong>da</strong>nach kennzeichnen den Anfang der Wicklung mit<br />
einer 1 und <strong>da</strong>s Ende mit einer 2.<br />
Fließt der Strom in jeder der Wicklungen vom Anfang zum Ende, so ergibt<br />
sich ein Rechtslauf des Motors. Dazu wird bei Motoren die Welle<br />
des Antriebes betrachtet.<br />
Die Umkehrung der Drehrichtung erfolgt durch Verändern der Stromrichtung<br />
in der Anker- oder Ständerwicklung. Bevorzugt wird die Stromrichtung<br />
durch den Anker umgekehrt.<br />
Bild 59: Entstehung des Drehmomentes<br />
Ankerstrom<br />
Erregerstrom
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
3.7.1 Schaltungen von Gleichstrommotoren<br />
A1<br />
M<br />
A2<br />
A1<br />
A2<br />
L+ L–<br />
M<br />
Reihenschlussmotor<br />
Bild 60: Schaltungen von Gleichstrommotoren<br />
Minos<br />
Bei Gleichstrommotoren wird unterschieden, wie die Erregerwicklung in<br />
Bezug auf die Ankerwicklung geschalten ist.<br />
Beim Reihenschlussmotor ist die Erregerwicklung mit der Wicklung des<br />
Ankers in Reihe geschaltet. Der gesamte Strom, der durch den Anker<br />
fließt, gelangt auch durch die Erregerwicklung.<br />
Da besonders beim Anlaufen die Stromstärke hoch ist, ist somit auch<br />
<strong>da</strong>s Anlaufmoment entsprechend hoch. Reihenschlussmotoren haben<br />
<strong>da</strong>durch <strong>da</strong>s größte Anzugsmoment von allen Elektromotoren.<br />
Wird der Motor ohne Belastung betrieben, so nimmt der Strom durch die<br />
Wicklungen ab und <strong>da</strong>s Erregerfeld wird schwächer. Dadurch nimmt die<br />
Drehzahl des Motors zu. Der Reihenschlussmotor kann so große Drehzahlen<br />
erreichen, <strong>da</strong>ss er sich selbst zerstört. Man sagt <strong>da</strong>zu, der Motor<br />
geht durch.<br />
Bei kleinen Motoren wird <strong>da</strong>s Durchgehen verhindert, indem der Motor<br />
mit großen Lüfterflügeln versehen wird. Bei hohen Drehzahlen erzeugen<br />
diese eine zusätzliche Belastung. Ein Antrieb über Flachriemen <strong>da</strong>rf beispielsweise<br />
mit Reihenschlussmotoren nicht erfolgen, <strong>da</strong> der Riemen<br />
abspringen kann und der Motor ohne die Last durchgeht.<br />
D1 D2<br />
Fremderregter Motor<br />
1L– 1L+ 2L+<br />
2L–<br />
F1 F2<br />
A1<br />
A2<br />
A1<br />
A2<br />
L+ L–<br />
M<br />
M<br />
Nebenschlussmotor<br />
E1 E2<br />
Doppelschlussmotor<br />
L+ L–<br />
E2 E1<br />
D2 D1<br />
133
134<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Reihenschlussmotoren werden vorallem bei elektrisch angetriebenen<br />
Fahrzeugen wie beispielsweise Straßenbahnen eingesetzt. Hier ist auch<br />
<strong>da</strong>s große Anzugsmoment von Vorteil.<br />
Die Drehzahlsteuerung erfolgt mit Hilfe eines Vorwiderst<strong>and</strong>es. Die Drehzahl<br />
ist aber auch stark von der Belastung abhängig. Besteht <strong>da</strong>s Magnetgestell<br />
von Reihenschlussmotoren aus Elektroblech, so sind diese Motoren<br />
auch für Wechselstrom geeignet, <strong>da</strong> der Strom durch den Anker<br />
und die erregerspule synchron die Richtung wechselt.<br />
Bei fremderregten Motoren wird der Strom für die Erregerspule von einer<br />
unabhängigen Spannungsquelle geliefert. Auch Motoren mit Erregung<br />
durch Dauermagneten sind fremderregte Motoren. Motoren mit<br />
Dauermagneten zur Erregung werden bis zu etwa 30 kW hergestellt.<br />
Beim Anlassen oder zur Drehzahlregelung wird die Spannung im Anker<br />
durch einen Vorwiderst<strong>and</strong> herabgesetzt. Über die Bemessungsdrehzahl<br />
hinaus kann die Drehzahl erhöht werden durch die Absenkung der Spannung<br />
in der Erregerspule.<br />
Da <strong>da</strong>s Magnetfeld der Erregerspule unabhängig vom Anker ist, ist die<br />
Drehzahl beim fremderregten Motor auch bei Lastschwankungen sehr<br />
stabil.<br />
Ohne eine Änderung der Spannung am Anker oder an der Erregerspule<br />
verhalten sich fremderregte Motoren ähnlich wie Drehstrommotoren. Sie<br />
können ohne Last nicht durchgehen.<br />
Fremderregte Motoren werden vorallem in Werkzeugmaschinen eingesetzt.<br />
Der Hauptgrund <strong>da</strong>für ist die Einsetzbarkeit in einem weiten Drehzahlbereich.
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Bei Nebenschlussmotoren ist die Erregerwicklung parallel zum Anker<br />
geschaltet. Auch hier kann die Drehzahl durch Verändern der Ankerspannung<br />
und der Erregerspulenspannung verändert werden.<br />
Die Drehzahl von Nebenschlussmotoren ändert sich bei Belastung wie<br />
bei den fremderregten Motoren wenig. Es ist jedoch zu beachten, <strong>da</strong>ss<br />
die Erregerspule im Betrieb nicht unabhängig vom Anker abgeschaltet<br />
werden <strong>da</strong>rf. In diesem Fall ist ein Durchgehen des Motors möglich.<br />
Allgemein werden Motoren, die im Leerlauf nicht durchgehen und deren<br />
Drehzahl bei Belastung wenig abfällt, als Motoren mit<br />
Nebenschlussverhalten bezeichnet. Dies betrifft vorallem Motoren mit<br />
Fremderregung. Nebenschlussmotoren werden <strong>da</strong>gegen kaum noch eingesetzt.<br />
Der Doppelschlussmotor wird auch als Compound-Motor bezeichnet. Bei<br />
ihm befindet sich zusätzlich zur Erregerspule im Nebenschluss eine<br />
weitere Spule in Reihe mit dem Anker. Diese Reihenschluss-Hilfswicklung<br />
dient <strong>da</strong>zu, <strong>da</strong>s Magnetfeld der Erregerwicklung zu verstärken.<br />
Die Kennlinie dieses Motors wird durch die Reihenschluss-Hilfswicklung<br />
der Kennlinie eines Reihenschlussmotors ähnlicher. Dies wird vorallem<br />
durch ein größeres Anzugsmoment sichtbar. Eine Änderung der Drehzahl<br />
ist über die Veränderung der Spannung im Anker und in der Erregerwicklung<br />
möglich.<br />
Ist die Reihenschluss-Hilfswicklung so angeschlossen, <strong>da</strong>ss ihr Magnetfeld<br />
die gleiche Richtung hat wie die Nebenschlusswicklung, so wird von<br />
einem compoudierten Motor gesprochen. Ohne Belastung verhält sich<br />
dieser Motor wie ein Nebenschlussmotor. Mit zunehmender Belastung<br />
nimmt die Drehzahl aber beim compoudierten Motor etwas stärker ab<br />
als beim Nebenschlussmotor.<br />
Umgekehrt wird von einem gegencompoudierten Motor gesprochen,<br />
wenn die Reihenschluss-Hilfswicklung <strong>da</strong>s Magnetfeld der Erregerwicklung<br />
schwächt. Dies kann beispielsweise versehentlich beim Umpolen<br />
der Drehrichtung geschehen.<br />
Bei gegencompoudierten Motoren steigt die Drehzahl bei Belastung an.<br />
Daher ist ein Durchgehen dieser Motoren möglich. Aus diesem Grund<br />
wird die Gegencompoudierung vermieden und nur in Ausnahmefällen<br />
eingesetzt, wenn beispielsweise durch eine Belastung die Drehzahl nicht<br />
absinken soll.<br />
Fremderregte Motoren haben oft eine Reihenschluss-Hilfswicklung. Der<br />
Vorteil besteht vorallem in dem höheren Anzugsdrehmoment.<br />
135
136<br />
Minos<br />
3.7.2 Universalmotoren<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Bei Reihenschlussmotoren fließt der Strom durch die Erregerwicklung<br />
und die Ankerwicklung. Wird die Stromrichtung umgekehrt, so werden<br />
beide Magnetfelder gleichzeitig umgepolt und <strong>da</strong>s Drehmoment wirkt<br />
weiterhin in die gleiche Richtung. Reihenschlussmotoren sind deshalb<br />
für Gleichstrom und Wechselstrom geeignet.<br />
Um die beim Betrieb an Wechselstrom auftretenden Wirbelstromverluste<br />
gering zu halten muss jedoch der Läufer und der Ständer des Motors<br />
geblecht ausgeführt sein. Die in der Erregerwicklung auftretende Selbstinduktion<br />
begrenzt den Strom. Dadurch werden auch die Motorleistung,<br />
die Drehzahl und <strong>da</strong>s Anzugsmoment geringer. Die Anzahl der Windungen<br />
der Erregerspulen muss <strong>da</strong>her beim Betrieb mit Wechselstrom kleiner<br />
sein als bei Gleichstrom.<br />
Motoren dieser Bauart werden als Universalmotoren bezeichnet. Trotzdem<br />
werden sie vorallem für den Betrieb an Wechselstrom ausgeführt.<br />
Universalmotoren haben ein Reihenschlussverhalten. Das Anzugsmoment<br />
ist groß. Im Leerlauf gehen diese Motoren durch. Dies wird meistens<br />
durch eine feste Verbindung mit einem Getriebe oder Lüfter vermieden.<br />
Die Universalmotoren werden vorallem in kleineren Elektrowerkzeugen<br />
wie beispielsweise in H<strong>and</strong>bohrmaschinen eingesetzt. Aber auch in<br />
Haushaltsmaschinen wie Staubsaugern sind Universalmotoren zu finden.<br />
Die Leistung beträgt maximal etwa 1,5 kW.<br />
Die Beschränkung auf kleine Leistungen ist auch <strong>da</strong>rin begründet, <strong>da</strong>ss<br />
mit den Universalmotoren nur eine Phase des Drehstromnetzes belastet<br />
wird. Bei der Bahn werden <strong>da</strong>gegen Wechselstrom-<br />
Reihenschlussmotoren mit Leistungen von mehreren hundert kW verwendet.<br />
Die Drehzahlsteuerung erfolgt mit einem Vorwiderst<strong>and</strong>. Bei Elektrowerkzeugen<br />
kommt aber auch eine Phasenanschnittsteuerung mit Thyristoren<br />
oder Triacs zum Einsatz.<br />
Gegen <strong>da</strong>s an den Bürsten entstehende Bürstenfeuer werden<br />
Entstörkondensatoren verwendet. Sie unterdrücken die Funkstörung, die<br />
durch die hochfrequenten Störimpulse entsteht.<br />
Weiterhin sind auch Stromwendermaschinen für Drehstrom möglich.<br />
Dafür sind auf dem Stromwender drei Bürsten im Abst<strong>and</strong> von jeweils<br />
120° angeordnet. Diese Motorenform kommt jedoch immer seltener zu<br />
Einsatz.
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
3.7.3 Fehler an Stromwendermotoren<br />
Minos<br />
Da Stromwendermotoren einen komplizierteren Aufbau als beispielsweise<br />
Drehstrom-Kurzschlussläufermotoren haben, kann auch eine größere<br />
Zahl von Fehlern auftreten. Besondere Beachtung sollte <strong>da</strong>bei <strong>da</strong>s<br />
Bürstenfeuer finden.<br />
Bei Stromwendermaschinen, die mit Gleichstrom betrieben werden, <strong>da</strong>rf<br />
fast kein Bürstenfeuer auftreten. Beim Betrieb mit Wechselstrom sollte<br />
<strong>da</strong>s Bürstenfeuer nur schwach ausgeprägt sein.<br />
Allgemein deutet Bürstenfeuer <strong>da</strong>rauf hin, <strong>da</strong>ss die Bürsten oder der<br />
Stromwender in einem schlechten Zust<strong>and</strong> sind. Die Bürsten sind <strong>da</strong>nn<br />
zu prüfen und gegebenenfalls zu reinigen. Auch ein neues Einschleifen<br />
der Bürsten ist möglich.<br />
Der Stromwender ist auf Verschmutzung zu untersuchen. Es dürfen keine<br />
leitenden Verbindungen zwischen den einzelnen Lamellen des<br />
Stromwenders vorh<strong>and</strong>en sein. Wird <strong>da</strong>s Kupfer durch zu harte Bürsten<br />
verschoben und <strong>da</strong>mit ein Kurzschluss zwischen den Lamellen verursacht,<br />
so sind weichere Bürsten zu verwenden.<br />
Bei einem zu geringen Bürstendruck tritt ebenfalls ein Bürstenfeuer auf.<br />
Der Druck auf die Bürste ist durch Verändern der Federkraft entsprechend<br />
zu erhöhen.<br />
Starkes Bürstenfeuer kann auf Schmutz zwischen den Lamellen des<br />
Stromwenders hindeuten. In diesem Fall ist der Stromwender zu reinigen.<br />
Bei einem unrunden Stromwender ist dieser abzudrehen.<br />
Tritt bei starker Belastung ein starkes Bürstenfeuer auf, so ist der Motor<br />
möglicherweise überlastet. Hier muss entweder die Belastung reduziert<br />
oder ein kräftiger Motor eingesetzt werden.<br />
Ein starkes Bürstenfeuer bei schwacher Belastung <strong>da</strong>gegen tritt auf, wenn<br />
die Wendepole falsch beschalten sind. Hier ist die Polung zu überprüfen<br />
und gegebenenfalls zu ändern.<br />
Ist <strong>da</strong>s Bürstenfeuer nur in einer Drehrichtung vorh<strong>and</strong>en, <strong>da</strong>nn h<strong>and</strong>elt<br />
es sich möglicherweise um eine falsche Position der Bürsten. Dies sollte,<br />
wenn möglich, korrigiert werden. Kommt es beim Umkehren der Drehrichtung<br />
<strong>da</strong>gegen zu starken Bürstenfeuer, so sind die Wendepole falsch<br />
gepolt und müssen richtig angeschlossen werden.<br />
Eine zu hohe Erwärmung des ganzen Motors tritt bei Überlastung oder<br />
Unterspannung auf. Durch <strong>da</strong>s Bürstenfeuer kann aber auch nur der<br />
Stromwender zu heiß werden. Die Ursachen für die zu hohe Wärmeentwicklung<br />
müssen unbedingt beseitigt werden.<br />
Zu hohe Drehzahlen sind unbedingt zu vermeiden, <strong>da</strong> ansonsten eine<br />
Zerstörung des Motors die Folge ist.<br />
137
138<br />
Minos<br />
3.8 Sonstige Motoren<br />
3.8.1 Synchronmotoren<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Die Synchronmotoren werden auch als Magnetläufer bezeichnet, <strong>da</strong> sich<br />
im Läufer ein Dauermagnet oder ein Elektromagnet befindet. Bei Synchronmotoren<br />
für Drehstrom werden Dauermagnete bevorzugt eingesetzt.<br />
Für die Energieversorgung der Elektromagnete sind Schleifringe<br />
am Anker erforderlich.<br />
Durch den Drehstrom und den Wicklungen im Ständer wird ein magnetisches<br />
Drehfeld aufgebaut. Dieses Drehfeld wirkt auf die Pole des Magneten<br />
im Läufer.<br />
Steht der Läufer still und <strong>da</strong>s Drehfeld wird eingeschaltet, so kann der<br />
Läufer dem Drehfeld nicht folgen. Dreht sich jedoch der Läufer, so wird<br />
er von dem Drehfeld mitgezogen. Dabei erreicht der Läufer genau die<br />
gleiche Drehzahl wie <strong>da</strong>s Drehfeld.<br />
Damit der Synchronmotor hochläuft, muss somit zunächst die Frequenz<br />
des Drehfeldes langsam von 0 Hz auf die üblichen 50 Hz erhöht werden.<br />
Dazu ist eine entsprechende Anlasshilfe erforderlich.<br />
Befindet sich im Läufer eine zusätzliche Käfigwicklung, so läuft der Motor<br />
zunächst als Asynchronmotor an. Die Erregerwicklung im Anker muss<br />
während des Hochlaufens über einen Widerst<strong>and</strong> geschlossen sein, über<br />
den sich die in der Wicklung induzierten Spannungen abbauen.<br />
Nachdem der Läufer im Asynchronbetrieb fast die Drehzahl des Drehfeldes<br />
erreicht hat, wird der Erregerstrom für den Anker eingeschaltet.<br />
Damit läuft der Motor als Synchronmotor weiter.<br />
Die Käfigwicklung verhindert zusätzlich bei wechselnden Belastungen<br />
ein Pendeln des Läufers und wird deshalb als Dämpferwicklung bezeichnet.<br />
Besonders bei großen Synchronmotoren ist diese Dämpferwicklung<br />
enthalten.<br />
Während des Betriebes behält der Anker die Drehzahl des Drehfeldes<br />
auch unter Belastung bei. Allerdings bleibt bei größerer Belastung der<br />
Anker um den sogenannten Lastwinkel hinter dem Drehfeld zurück. Ohne<br />
Belastung geht der Lastwinkel wieder auf 0° zurück.<br />
Bei Belastung nimmt <strong>da</strong>s Drehmoment des Motors zunächst zu. Bei einem<br />
zweipoligen Motor wird <strong>da</strong>s Maximum bei einem Lastwinkel von 90°<br />
erreicht. Dieser Wert wird als Kippmoment bezeichnet. Bei noch größerer<br />
Belastung nimmt <strong>da</strong>s Drehmoment wieder ab und ohne Dämpferkäfig<br />
kommt der Motor zum stehen.<br />
Bei Synchronmotoren ist <strong>da</strong>s Bemessungsmoment oft etwa halb so groß<br />
wie <strong>da</strong>s Kippmoment.
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Bei Synchronmotoren kann der Erregerstrom während des Betriebes<br />
stärker oder schwächer sein. Bei einem schwachen Erregerstrom ist auch<br />
die induzierte Spannung kleiner als die Spannung des Netzes. Infolge<br />
dessen bezieht der Synchronmotor induktive Blindleistung aus dem Netz.<br />
Bei einem starken Erregerstrom ist der Synchronmotor übererregt. Das<br />
führt <strong>da</strong>zu, <strong>da</strong>ss induktive Blindleistung in <strong>da</strong>s Netz geliefert wird. Der<br />
Synchronmotor wirkt <strong>da</strong>bei als kapazitive Last.<br />
Große Synchronmotoren werden teilweise unbelastet, aber übererregt<br />
betrieben. Die Synchronmotoren werden <strong>da</strong>nn entsprechend ihrer Funktion<br />
als Phasenschiebermaschinen bezeichnet.<br />
Spaltpolmotore sind Synchronmotoren für Einphasen-Wechselstrom. Im<br />
Läufer befinden sich Dauermagnete mit zwei oder vier Polen. Der Ständer<br />
hat die gleiche Polzahl wie der Läufer. Nach dem Anlaufen dreht sich<br />
der Läufer mit der gleichen Drehzahl wie <strong>da</strong>s Drehfeld.<br />
Bei dieser geringen Polzahl ist die Drehzahl verhältnismäßig hoch. Diese<br />
Motoren werden deshalb als schnelllaufende Spaltpolmotore bezeichnet.<br />
Für langsamlaufende Spaltpolmotoren werden entsprechen mehr Pole<br />
benötigt. Es gibt Bauformen mit Innenläufern und Außenläufern. Die<br />
Leistungsaufnahme liegt im Bereich von 1 bis 4 W. Entsprechend dieser<br />
Leistung werden diese Motoren beispielsweise in Uhren oder schreibenden<br />
Meßgeräten eingesetzt. Die Drehzahl ist nicht umkehrbar.<br />
Eine hohe Drehzahl haben auch Kondensatormotoren, die als Synchronmotoren<br />
arbeiten. Sie haben zwei oder vier Pole. Bei Be<strong>da</strong>rf wird die<br />
Drehzahl mit einem Getriebe herabgesetzt.<br />
Durch den Kondensator wird eine Phasenverschiebung des Stromes in<br />
einer zweiten Ständerwicklung erzeugt und <strong>da</strong>mit ein Drehfeld erzeugt.<br />
Je nach Schaltung des Kondensators vor eine der beiden Wicklungen<br />
wird eine Rechts- oder Linksdrehung erreicht.<br />
Das Anzugsdrehmoment ist wie bei den Synchronmotoren üblich recht<br />
klein. Die Läufer von Kondensatormotoren können wie bei den Spaltpolmotoren<br />
als Außen- oder Innenläufer ausgeführt sein. Gegenüber diesen<br />
ist jedoch <strong>da</strong>s Drehfeld von Kondensatormotoren gleichförmiger und<br />
der Wirkungsgrad höher.<br />
Die Leistung liegt im vergleichbaren Bereich. Kondensatormotoren sind<br />
also immer Kleinstmotoren.<br />
139
140<br />
Minos<br />
3.8.2 Schrittmotoren<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Die Schrittmotoren verfügen im Läufer über einen Dauermagneten. Die<br />
Ansteuerung erfolgt durch Gleichstrom-Rechteckimpulse. Bei jeden Impuls<br />
dreht sich der Läufer um einen Schritt weiter. Folgen die Schritte<br />
schnell aufein<strong>and</strong>er, so führt der Schrittmotor eine ununterbrochene Drehbewegung<br />
aus.<br />
Die Drehung, die der Läufer bei einem Impuls ausgeführt, wird als Schrittwinkel<br />
bezeichnet. Die Anzahl der Schritte hängt genau von der Anzahl<br />
der Impulse ab. Das bedeutet, <strong>da</strong>ss der Motor ohne Schrittfehler arbeitet.<br />
Es wird zwischen Einstrang-, Zweistrang- und Fünfstrangmotoren unterschieden.<br />
Die Wicklungen für jeden Strang können unipolar oder bipolar<br />
sein. Für die Umschaltung des Magnetfeldes reicht bei der unipolaren<br />
Wicklung ein einpoliger Wechselschalter aus, für die bipolare Wicklung<br />
werden zweipolige Wechselschalter benötigt.<br />
Die Ansteuerung der Schrittmotoren erfolgt weder mit mechanischen noch<br />
mit elektromechanischen Schaltern sondern mit speziellen Ansteuerschaltungen.<br />
Diese enthalten einen Mikrorechner mit einem Taktgenerator.<br />
Einstrangmotoren können nur ein Drehfeld in eine Richtung erzeugen.<br />
Eine Umkehrung der Drehrichtung des Motors ist nicht möglich. Bei den<br />
Zweistrang- und Fünfstrangmotoren erfolgt eine Drehrichtungsumkehr<br />
durch eine zeitlich <strong>and</strong>ere Ansteuerreihenfolge der einzelnen Wicklungen.<br />
Bewegt sich der Läufer nach dem Ändern der Ansteuerung um einen<br />
ganzen Schrittwinkel weiter, so wird dies als Vollschrittbetrieb bezeichnet.<br />
Im Gegensatz <strong>da</strong>zu dreht sich der Läufer beim Halbschrittbetrieb<br />
nur um einen halben Schrittwinkel. Weiterhin gibt es einen Mikroschrittbetrieb,<br />
bei dem durch unterschiedliche Stromstärken ein ganzer Schrittwinkel<br />
in mehrere Teilschritte unterteilt wird.<br />
Die Größe des Schrittwinkels hängt ab von der Polzahl und der Strangzahl.<br />
Einen zusätzlichen Einfluss hat die Betriebsart, also Halbschrittoder<br />
Vollschrittbetrieb.<br />
Typische Schrittwinkel liegen im Bereich von 45° bis 1,8°. Daraus ergeben<br />
sich 8 Schritte pro ganzer Umdrehung bis zu 200 Schritte bei dem<br />
kleinen Schrittwinkel.<br />
Die Drehzahl des Schrittmotors hängt ab vom Schrittwinkel und der Frequenz,<br />
mit der die einzelnen Wicklungen umgeschaltet werden.
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Scheibenmagnet-Schrittmotoren haben einen Läufer, der aus einer dünnen,<br />
<strong>da</strong>uermagnetischen Scheibe besteht. Die Masse dieses Läufers ist<br />
sehr gering, so <strong>da</strong>ss der Motor sehr schnell die Drehzahl ändern kann.<br />
Bei Schrittmotoren mit großen Schrittwinkeln ab etwa 7,5° ist der Ständer<br />
nach dem Wechselpolprinzip ausgeführt. Das bedeutet, <strong>da</strong>ss sich<br />
die Pole der beiden Ständerspulen nachein<strong>and</strong>er abwechseln. Der Läufer<br />
hat die gleiche Anzahl von Polen.<br />
Schrittmotoren mit dem Gleichpolprinzip haben eine höhere Polzahl als<br />
Schrittmotoren mit dem Wechselpolprinzip. Daraus resultieren kleine<br />
Schrittwinkel.<br />
Der Läufer besteht aus zwei einzelnen Polrädern, die außen mit Zähnen<br />
versehen sind. Die Zähne der beiden Polräder sind <strong>da</strong>bei um einen halben<br />
Zahn versetzt. Wird der Ständer nicht von Strom durchflossen, so<br />
nimmt der Läufer eine Raststellung ein.<br />
Zur Ansteuerung des Schrittmotors muss der Strom durch die einzelnen<br />
Wicklungen des Ständers in einer bestimmten Reihenfolge geschaltet<br />
werden. Bei der Einstrangsteuerung wird zu einer bestimmten Zeit nur<br />
eine Wicklung erregt, bei der Zweistrangsteuerung sind es zwei Wicklungen<br />
gleichzeitig.<br />
Die Zählung der einzelnen Takte sowie die Schaltung der Wicklungen in<br />
der richtigen Reihenfolge wird von einem Mikrocontroller übernommen.<br />
Nachgeschaltete Treiber können den Strom zu den Wicklungen direkt<br />
schalten.<br />
Damit der Schrittmotor unter Last ohne Schrittfehler anlaufen kann, <strong>da</strong>rf<br />
<strong>da</strong>s Start-Grenzmoment nicht überschritten werden. Die Beschleunigung<br />
auf die gewünschte Drehzahl muss deshalb gegebenenfalls langsamer<br />
erfolgen. Dies erfolgt entsprechend von Beschleunigungs- und Abbremsrampen.<br />
Die maximale Last im Betrieb des Schrittmotors wird als Betriebs-<br />
Grenzmoment bezeichnet. Bei großer Last tritt ein Lastwinkel auf, um<br />
den der Anker gegenüber den Sollwert verdreht ist. Dieser Lastwinkel<br />
kann aber höchstens so groß sein wie ein Schritt.<br />
Schrittmotoren haben nur eine geringe Leistung. Mit einem Getriebe kann<br />
die Drehzahl und <strong>da</strong>s Drehmoment zusätzlich beeinflusst werden. Eingesetzt<br />
werden Schrittmotoren beispielsweise in Druckern oder als Stellantriebe.<br />
141
142<br />
Minos<br />
3.9 Steuern von Drehfeldmotoren<br />
L1<br />
L2<br />
L3<br />
PE<br />
L1<br />
L2<br />
L3<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Um einen Motor vom Stillst<strong>and</strong> auf die Betriebsdrehzahl zu bringen ist<br />
ein Ansteuern des Motors erforderlich. Dieser Vorgang wird auch als<br />
Anlassen bezeichnet.<br />
Das direkte Einschalten vor allem von kleineren Motoren geschieht mit<br />
einem Schalter. Zum indirekten Einschalten werden Schütze verwendet.<br />
Bei manuell betätigten Nockenschaltern werden die einzelnen Kontakte<br />
durch Schaltnocken geschlossen oder geöffnet. In einer Schalttabelle<br />
wird <strong>da</strong>rgestellt, bei welcher Schaltstellung welche Kontakte geschlossen<br />
werden.<br />
Elektromagnetisch betätigte Schütze können mit Gleich- oder Wechselstrom<br />
betätigt werden. Für den Hauptstromkreis sind meistens drei Kontakte<br />
vorh<strong>and</strong>en. Weitere Kontakte werden als Hilfskontakte bezeichnet.<br />
Mit Ihnen werden Steuerstromkreise geschaltet.<br />
Halbleiterschütze beinhalten keine bewegten mechanischen Bauteile. Sie<br />
bestehen aus Halbleiterelementen und arbeiten geräuschfrei. Allerdings<br />
entwickeln Sie mehr Wärme als elektromagnetische Schütze. Zum vollständigen<br />
Trennen der Last vom Netz sind sie nicht geeignet. Ihr Widerst<strong>and</strong><br />
ist im gesperrten Zust<strong>and</strong> nicht so groß wie geöffnete Kontakte.<br />
A B C D E F<br />
U<br />
V<br />
W<br />
M<br />
3 ˜<br />
Bild 61: Schaltzeichen für Nockenschalter mit Schalttabelle<br />
PE<br />
Schaltglied<br />
A<br />
B<br />
C<br />
D<br />
E<br />
F<br />
Schaltstellung<br />
L 0 R<br />
Schaltglied offen<br />
Schaltglied geschlossen
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Beim Einschalten nehmen elektrische Motoren einen großen Einschaltstrom<br />
auf. Auch der Anzugsstrom während des Erreichens der Betriebsdrehzahl<br />
ist groß.<br />
Damit im öffentlichen Netz nicht die Spannung absinkt oder Überstrom-<br />
Schutzeinrichtungen ansprechen, <strong>da</strong>rf der Anzugsstrom nicht mehr als<br />
60 A betragen. Dies ist entsprechend den technischen Anschlussbedingungen<br />
des örtlichen Netzbetreibers geregelt.<br />
Motoren, deren Anzugsstrom nicht über 60 A liegt, können direkt eingeschaltet<br />
werden. Bei Einphasen-Wechselstrommotoren sind dies Motoren<br />
mit einer Bemessungsleistung bis zu etwa 1,7 kVA. Drehstrommotoren<br />
mit einem Anzugsstrom von weniger als 60 A haben eine<br />
Bemessungsleistung bis zu etwa 5,2 kVA.<br />
Für größere Motoren wird ein Anlassgerät benötigt. Damit kann der Motor<br />
in mehreren Stufen in den Betriebszust<strong>and</strong> gebracht und somit der<br />
Anzugsstrom begrenzt werden. Oft wird <strong>da</strong>zu ein zusätzlicher Widerst<strong>and</strong><br />
verwendet.<br />
Als Anlasser werden Geräte bezeichnet, bei denen <strong>da</strong>s Anlassgerät <strong>da</strong>s<br />
Widerst<strong>and</strong>sgerät mit enthält. Ist zusätzlich eine Überstrom-Schutzeinrichtung<br />
enthalten, so wird <strong>da</strong>s Gesamtgerät als Motorstarter bezeichnet.<br />
3.9.1 Anlassschaltungen für Drehstrommotoren<br />
Bei Drehstrom-Kurzschlussläufermotoren kann der Einschaltstrom bis<br />
zum zehnfachen des Bemessungsstroms betragen. Beim Anlaufen wird<br />
deshalb die Spannung heruntergesetzt, wodurch auch der Einschaltstrom<br />
geringer wird. Allerdings vermindert sich <strong>da</strong>durch auch <strong>da</strong>s Drehmoment.<br />
Bei Motoren mit bis zu 11 kW Bemessungsleistung wird häufig die Stern-<br />
Dreieck-Schaltung verwendet. Dafür muss der Motor für die Dreieckschaltung<br />
bei 400 V ausgelegt sein.<br />
Beim Einschalten des Motors werden die Spulen zunächst sternförmig<br />
zusammengeschalten. Dadurch liegt an jeder Spule nur noch eine Spannung<br />
von 230 V an. Entsprechend dieser geringeren Spannung beträgt<br />
<strong>da</strong>s Anzugsmoment des Motors nur ein Drittel des Drehmomentes bei<br />
der Dreieckschaltung.<br />
Die Stern- Dreieck-Schaltung <strong>da</strong>rf deshalb nur <strong>da</strong>nn angewendet werden,<br />
wenn der Motor leicht anlaufen kann.<br />
Nach dem Erreichen der Betriebsdrehzahl werden die Spulen in die Dreieckschaltung<br />
umgeschaltet. Jetzt liegt an jeder Spule die volle Spannung<br />
von 400 V an und der Motor erreicht <strong>da</strong>s volle Drehmoment.<br />
143
144<br />
Minos<br />
L3<br />
W<br />
L1<br />
U<br />
Anlauf<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
230 V<br />
V<br />
L2<br />
Bild 62: Stern- und Dreieckschaltung<br />
Das Umschalten von der Stern- in die Dreieckschaltung kann von H<strong>and</strong><br />
mit Nockenschaltern erfolgen. Wird ein Motor allerdings weiter in der<br />
Sternschaltung betrieben, so fließen bei Belastung größere Ströme als<br />
zulässig durch die Spulen. Der Motor wird überlastet und die Wicklungen<br />
brennen durch.<br />
Bei der Verwendung von Schützen ist ein Netzschütz zum Einschalten<br />
der Spannung sowie ein Stern- und ein Dreieckschütz für die beiden<br />
Schaltungsarten erforderlich. Beim Starten des Motors wird neben dem<br />
Netzschütz auch <strong>da</strong>s Sternschütz eingeschaltet. Durch ein Zeitrelais wird<br />
<strong>da</strong>s Sternschütz nach einer vorgegebenen Zeit abgeschaltet und <strong>da</strong>s<br />
Dreieckschütz zugeschaltet. Das Umschalten erfolgt somit automatisch.<br />
Eine weitere Möglichkeit zum Begrenzen des elektrischen Stromes beim<br />
Einschalten des Motors ist die Verwendung von Anlaufdrosselspulen.<br />
Diese werden als Vorwiderst<strong>and</strong> vor den Kurzschlussläufermotor geschaltet.<br />
Nachdem der Motor seine Drehzahl erreicht hat, ist auch die Spannung<br />
am Motor angestiegen. Dadurch kann <strong>da</strong>s Schütz schalten und die Drosselspulen<br />
überbrücken.<br />
Das Anlassen mit Hilfe von Anlaufdrosselspulen wird bei Motoren mit<br />
einer Bemessungsleistung von bis zu 15 kW eingesetzt.<br />
L3<br />
W<br />
L1<br />
U<br />
Betrieb<br />
L2<br />
V<br />
400 V
L1<br />
L2<br />
L3<br />
PE<br />
K1<br />
Bild 63: Anlaufdrossel und Anlaufwiderst<strong>and</strong><br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
M<br />
3 ˜<br />
PE<br />
Minos<br />
Ebenfalls für Motoren mit einer Bemessungsleistung von bis zu 15 kW<br />
können anstelle der Drosselspulen auch Vorwiderstände verwendet werden.<br />
Diese Schaltung wird oft bei als Stern geschalteten Motoren eingesetzt<br />
und in diesem Fall als Sternpunktanlasser bezeichnet. Beim Anlauf<br />
des Motors ist jedoch mit einer Erwärmung der Widerstände zu rechnen.<br />
Bei kleineren Motoren, die eigentlich direkt gestartet werden könnten,<br />
wird manchmal auch ein Widerst<strong>and</strong> in nur einen Leiter der<br />
Anschlussleitung eingefügt. Nach dem Hochlaufen des Motors wird der<br />
Widerst<strong>and</strong> überbrückt.<br />
Der Anlauf der Motoren wird durch den Widerst<strong>and</strong> sanfter. Entsprechend<br />
wird diese Schaltung als Kurzschlussläufer-Sanftanlauf oder auch als<br />
Kusa-Schaltung bezeichnet. Sie wird bis zu einer Bemessungsleistung<br />
von etwa 2,2 kW eingesetzt.<br />
Eine bei der Anschaffung kostenintensive Variante ist der Einsatz von<br />
Anlauftransformatoren. Hierbei wird beim Anlaufen des Motors die Spannung<br />
herabgesetzt. Anlauftransformatoren werden für Drehstrom-<br />
Kurzschlussläufermotoren eingesetzt, bei denen die Bemessungsleistung<br />
kleiner als 15 kW ist.<br />
F1<br />
S1 S1<br />
M1<br />
U1 V1 W1<br />
U2 V2 W2<br />
L1<br />
L2<br />
L3<br />
PE<br />
F1<br />
M1<br />
R1<br />
M<br />
3 ˜<br />
PE<br />
145
146<br />
Minos<br />
U, I<br />
U, I<br />
U, I<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Bild 64 Anschnitt-, Abschnitt- und Sektorsteuerung<br />
Elektronische Motorstarter vermeiden einen Nachteil von Vorwiderständen.<br />
Diese nehmen eine beträchtliche Leistung auf. Das ist<br />
vor allem <strong>da</strong>nn unwirtschaftlich, wenn sie über einen längeren Zeitraum<br />
in Betrieb sind.<br />
Mit den elektronischen Motorstartern <strong>da</strong>gegen wird die Spannung herabgesetzt,<br />
in dem während des sinusförmigen Spannungsverlaufes der<br />
Stromfluss teilweise abgeschaltet wird.<br />
Es gibt drei unterschiedliche Möglichkeiten, den Stromfluss während des<br />
sinusförmigen Spannungsverlaufes zu verändern. Bei der Anschnittsteuerung<br />
fließt während des ersten Teils der sinusförmigen Wechselspannung<br />
durch den Motorstarter kein Strom. Erst nach einer mehr oder<br />
weniger langen Zeit wird der Rest der Sinuskurve freigeschaltet. Die<br />
<strong>da</strong>durch resultierende Spannung ist demzufolge kleiner als bei einer<br />
unbeeinflussten Sinuskurve.<br />
Bei der Abschnittsteuerung bleibt der Beginn der Sinuskurve unverändert.<br />
Hier wird die resultierende Spannung herabgesetzt, indem der<br />
Stromfluss bereits vor dem Nulldurchgang der Sinuskurve auf den Wert<br />
Null gesetzt wird.<br />
Die Sektorsteuerung ist eine Kombination von Anschnitt- und Abschnittsteuerung.<br />
Übrig bleibt der mittlere Teil der Sinuskurve. Durch die Breite<br />
dieses Sektors wird die resultierende Spannung bestimmt.<br />
Anschnittsteuerung<br />
Abschnittsteuerung<br />
Sektorsteuerung<br />
t<br />
t<br />
t
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
In elektronischen Motorstartern werden Thyristoren oder Triacs eingesetzt,<br />
deren Widerst<strong>and</strong> vor dem Zünden sehr groß ist. Dadurch geht<br />
der Stromfluss gegen Null.<br />
Nachdem die Thyristoren oder Triacs durch <strong>da</strong>s Zünden auf Durchgang<br />
geschaltet wurden, setzen sie dem Stromfluss nahezu keinen Widerst<strong>and</strong><br />
entgegen. Die Verlustleistung ist deshalb verhältnismäßig klein.<br />
Die elektronischen Motorstarter bestehen aus einem Steuer- und einem<br />
Leistungsteil. Im Steuerteil befindet sich eine Steuereinheit, die die<br />
Zündimpulse für die im Leistungsteil enthaltenen Bauteile liefert.<br />
Im Leistungsteil sind pro Phase zwei Thyristoren oder Triacs parallel,<br />
aber in entgegengesetzter Richtung angeordnet. Oft steuern Motorstarter<br />
auch bei Drehstrom nur zwei Phasen an. Es sind aber auch Motorstarter<br />
erhältlich, die alle drei Phasen steuern. Hier sind entsprechend zwei<br />
Thyristoren oder Triacs zusätzlich erforderlich.<br />
Eine weitere Einsatzmöglichkeit von Motorstartern besteht im Sanftanlauf<br />
von Motoren. Hierbei wird durch eine Anschnittsteuerung die Motorspannung<br />
langsam von 40 % auf 100 % erhöht. Die Zeit, die während<br />
des Anstiegs vergeht, wird als Rampenzeit bezeichnet. Je kürzer die<br />
Rampenzeit ist, desto schneller läuft der Motor hoch.<br />
Mit Hilfe einer Strombegrenzung kann mit den Motorstartern der Anlaufstrom<br />
begrenzt werden. In diesem Fall wird die Spannung so erhöht,<br />
<strong>da</strong>ss ein bestimmter Anlaufstrom nicht überschritten wird. Die gesamte<br />
Anlaufzeit kann <strong>da</strong>durch allerdings erhöht werden.<br />
Elektronische Motorstarter können aber auch eine Funktion zum langsamen<br />
Ausschalten des Motors beinhalten. Durch allmähliches Absenken<br />
der Spannung von 100 % auf 40 % wird die Drehzahl des Motors verringert.<br />
Mit der Energiesparfunktion von Motorstartern wird bei Motoren, die nicht<br />
voll belastet werden, die Spannung herabgesetzt. Bei höherer Belastung<br />
wird die Spannung wieder entsprechend erhöht.<br />
Nachteilig bei elektronischen Motorstartern ist <strong>da</strong>s Fehlen einer völligen<br />
Trennung des Motors vom Netz. Aus diesem Grund ist ein Schalter mit<br />
Kontakten, die geöffnet werden können, weiterhin erforderlich. Auch für<br />
NOT-AUS-Einrichtungen sind unbedingt öffnende Kontakte zu verwenden.<br />
Vorallem bei größeren Motorstartern sind auch die trotzdem noch auftretenden<br />
Verluste in Form von Wärme zu beachten. Die Geräte sind entsprechend<br />
ihrer Wärmeentwicklung mit Kühlrippen versehen. Die entstehende<br />
Wärme muss beispielsweise aus einem Schaltschrank abgeführt<br />
werden.<br />
147
148<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
3.9.2 Ansteuerung von Stromwendermaschinen<br />
Kleine Gleichstrom- Reihenschlussmotoren können direkt eingeschaltet<br />
werden. Bei größeren Motoren wird zum Einschalten die Spannung herabgesetzt.<br />
Dafür können nur Vorwiderstände eingesetzt werden. Drosseln<br />
oder Transformatoren dürfen nicht verwendet werden, <strong>da</strong> keine<br />
Wechselspannung vorh<strong>and</strong>en ist.<br />
Oftmals wird die Gleichspannung aus Wechselspannung gewonnen. Die<br />
zum Gleichrichten erforderlichen Dioden werden in diesem Fall durch<br />
Thyristoren ersetzt.<br />
Thyristoren sperren wie die Dioden den Strom in eine Richtung. In der<br />
<strong>and</strong>eren Richtung sperren die Thyristoren ebenfalls. Erst nach einer<br />
Zündung lassen sie den Strom fließen. Die Zündung selbst erfolgt durch<br />
Impulse, die von einer Steuerung geliefert werden müssen.<br />
Je nach dem Zeitpunkt der Zündung wird von der Sinuskurve der Wechselspannung<br />
ein mehr oder weniger großer Anteil abgeschnitten. Der Abst<strong>and</strong><br />
vom Nulldurchgang bis zur Zündung wird als Zündwinkel bezeichnet.<br />
Er kann etwa im Bereich von 5° bis 180° liegen. Der Mittelwert der<br />
resultierenden Spannung ist dementsprechend kleiner.<br />
Thyristoren können prinzipiell in allen Gleichrichterschaltungen eingesetzt<br />
werden. Ein einzelner Thyristor würde jedoch <strong>da</strong>s Netz zu sehr<br />
beeinflussen, deshalb werden vorallem Brückenschaltungen verwendet.<br />
Werden alle Dioden einer Brückenschaltung durch Thyristoren ersetzt,<br />
so wird dies als vollgesteuerte Brückenschaltung bezeichnet. Diese werden<br />
benötigt, wenn der Motor auch als Bremse arbeiten soll und in diesem<br />
Fall Energie in <strong>da</strong>s Netz zurückspeist.<br />
In den meisten Fällen werden halbgesteuerte Brückenschaltungen verwendet.<br />
Hier muss nur eine Diode pro Brückenzweig durch einen Thyristor<br />
ersetzt werden. Beim Anschluss eines Gleichstrommotors an ein<br />
Dreiphasen-Drehstromnetzes werden somit drei Dioden und drei Thyristoren<br />
benötigt.<br />
Werden Reihenschlussmotoren aus einem Gleichstromnetz versorgt, so<br />
werden Gleichstromsteller verwendet. Dabei wird der Strom kurzzeitig<br />
ein- und ausgeschaltet. Mit einer Induktivität wird der resultierende Strom<br />
geglättet.<br />
Je länger der Strom der Strom eingeschaltet bleibt, desto höher ist die<br />
Spannung. Diese Art der Beeinflussung wird als Pulsweitenmodulation<br />
bezeichnet. Mit Gleichstromstellern treten <strong>da</strong>bei geringere Verluste auf<br />
als beim Einsatz eines Vorwiderst<strong>and</strong>es.
Bild 65 Halbgesteuerte Brückenschaltung<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Für <strong>da</strong>s Anlassen eines fremderregten Gleichstrommotors wird fast immer<br />
ein Anlassgerät eingesetzt. Dadurch wird beim Einschalten sofort<br />
die volle Erregerspannung wirksam, die Ankerspannung ist jedoch noch<br />
herabgesetzt.<br />
Mit einem einstallbaren Vorwiderst<strong>and</strong> ist die Ankerspannung besonders<br />
einfach herabsetzbar.<br />
Oftmals erfolgt die Speisung von fremderregten Gleichstrommotoren mit<br />
Hilfe eines Gleichrichtergerätes aus dem Drehstromnetz. In diesem Fall<br />
müssen die Gleichrichtergeräte in der Lage sein, die Ankerspannung<br />
herabzusetzen. Dabei wird die Anschnitts- oder Abschnittssteuerung eingesetzt.<br />
Universalmotoren können oft direkt eingeschaltet werden, <strong>da</strong> es sich <strong>da</strong>bei<br />
um eher kleine Motoren h<strong>and</strong>elt. Für einen sanften Anlauf kann die Spannung<br />
mit einem Vorwiderst<strong>and</strong> oder einer Drossel herabgesetzt werden.<br />
Auch bei Universalmotoren kann die Spannung mit einer Anschnitts- oder<br />
Abschnittssteuerung beeinflusst werden. Die von der Funktionsweise<br />
ähnlichen Dimmer müssen für Motoren geeignet sein, wenn mit ihnen<br />
eine Drehzahlsteuerung durchgeführt werden soll.<br />
2D2 2D1<br />
L1 L2 L3<br />
D1 Q1<br />
D2 Q2<br />
D3 Q3<br />
M A1<br />
A2<br />
M1<br />
1D2 1D1<br />
149
150<br />
Minos<br />
3.10 Motorschutz<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Elektrische Motoren können durchaus eine bestimmte Überlastung verkraften.<br />
Bei zu großer oder zu langer Überlastung jedoch erwärmen sich<br />
die Wicklungen unzulässig und können <strong>da</strong>durch beschädigt werden. In<br />
diesem Fall brennt der Motor durch.<br />
Mit normalen Schmelzsicherungen ist ein Schutz des Motors vor Überlastung<br />
nicht möglich. Diese müssen für den höheren Einschaltstrom ausgelegt<br />
sein und sprechen deshalb bei einer Überbelastung nicht an.<br />
In Motorschutzschaltern befindet sich Kontakte an Bimetallstreifen. Bei<br />
einer zu hohen Stromaufnahme erwärmt sich <strong>da</strong>s Bimetall und verbiegt<br />
sich. Dadurch werden die Kontakte geöffnet und der Motor abgeschaltet.<br />
Dies wird als thermische Auslösung bezeichnet.<br />
Das Erwärmen der Bimetallstreifen benötigt eine gewisse Zeit. Bei Motorschutzschaltern<br />
ist diese Verzögerung erwünscht, <strong>da</strong> durch den hohen<br />
Strom beim Einschalten oder bei kurzzeitiger Überlastung der Motorschutzschalter<br />
nicht ansprechen soll.<br />
Durch Motorschutzschaltern mit Bimetall ist allerdings kein Schutz bei<br />
einem Kurzschluss im Motor möglich. Dafür sind zusätzliche Schmelzsicherungen<br />
vorzusehen.<br />
Viele Motorschutzschalter haben zusätzlich zu den Bimetallstreifen einen<br />
zusätzlichen Schnellauslöser. Dieser Schnellauslöser besteht aus<br />
einer Spule mit einem Anker. Bei zu hohen Strömen werden durch die<br />
Bewegung des Ankers die Kontakte zu der Zuleitung zum Motor aufgetrennt.<br />
Der thermische Auslöser und der elektromagnetische Schnellauslöser<br />
werden in Reihe geschaltet. Der trägere thermische Auslöser wird auf<br />
den Bemessungsstrom des Motors eingestellt. Der elektromagnetische<br />
Schnellauslöser <strong>da</strong>gegen wird auf einen höheren Stromwert festgelegt.<br />
Er spricht bei Kurzschlüssen an.<br />
Bei Kurzschlüssen kann es allerdings vorkommen, <strong>da</strong>ss durch Lichtbogen<br />
die offenen Kontakte des Motorschutzschalters überbrückt werden.<br />
Aus diesem Grund werden auch bei Motorschutzschaltern mit Schnellabschaltung<br />
zusätzliche Schmelzsicherungen eingesetzt.<br />
Motorschutzschalter werden vorallem bei kleineren bis mittleren Motoren<br />
eingesetzt. Da nur die Stromaufnahme, aber nicht die Temperatur<br />
der Wicklungen überwacht wird, kann es durchaus zu Fehlern kommen.<br />
So kann es beispielsweise bei besserer Kühlung des thermischen Auslösers<br />
trotzdem zu Überhitzungen des Wicklungen kommen.
L1<br />
L2<br />
L3<br />
PE<br />
Bild 66: Motorschutzrelais<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
M<br />
3 ˜<br />
Minos<br />
Die direkte Überwachung der Wicklungstemperatur erfolgt mit Kaltleitern,<br />
die sich an den Wicklungen des Motors befinden. Bei zu hoher Temperatur<br />
der Wicklungen nimmt der Widerst<strong>and</strong> dieser Kaltleiter zu.<br />
Durch den steigenden Widerst<strong>and</strong> der Kaltleiter fällt ein Relais ab und<br />
über ein Schütz wird der Motor abgeschaltet. Die Überwachung der Temperatur<br />
der Wicklungen ist somit mit einer hohen Sicherheit verbunden.<br />
Nachteilig bei der Temperaturüberwachung mit Kaltleitern sind die höheren<br />
Kosten, <strong>da</strong> die Kaltleiter konstruktiv in den Motor integriert sein müssen.<br />
Aus diesem Grund sind vorallem größere Motoren mit Kaltleitern<br />
ausgerüstet.<br />
Grundsätzlich wird bei Motorschutzschaltern unterschieden, ob nach der<br />
Abkühlung der Motor von selbst wieder eingeschaltet wird oder ob eine<br />
Wiedereinschaltsperre vorh<strong>and</strong>en ist. Hier muss die Rückstellung von<br />
H<strong>and</strong> erfolgen.<br />
Teilweise ist auch eine Umstellung von H<strong>and</strong>-Rückstellung auf automatische<br />
Rückstellung möglich.<br />
K1<br />
B1<br />
F1<br />
M1<br />
PE<br />
L<br />
N<br />
K1<br />
F2<br />
S1<br />
S2<br />
B1<br />
K1<br />
151
152<br />
Minos<br />
3.10.1 Isolierstoffklassen<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Beim Einsatz von elektrischen Maschinen erwärmen sich diese durch<br />
die auftretende Verlustleistung. Dabei erhöht sich die Temperatur solange,<br />
bis sich durch die Wärmeabfuhr in die Umgebung ein Temperaturgleichgewicht<br />
einstellt.<br />
Entsprechend den in der Maschine verwendeten Isolierstoffen dürfen<br />
<strong>da</strong>bei bestimmte höchstzulässige Dauertemperaturen nicht überschritten<br />
werden.<br />
Folgende Isolierstoffklassen und höchstzulässige Dauertemperaturen<br />
gelten für elektrische Maschinen:<br />
Y 90 °C (z.B. PVC bei Leitungen)<br />
A 105 °C (z.B. Lacke der Klasse A bei Wicklungen)<br />
E 120 °C (z.B. Hartpapier bei Pressteilen)<br />
B 130 °C (z.B. Glimmerprodukte für Pressteile)<br />
F 155 °C (z.B. mit Epoxidharz getränkte Glasfaser für<br />
Wicklungen)<br />
H 180 °C (z.B. mit Silikonharz getränkte Glasfaser für hitzefeste<br />
Leitungen)<br />
C >180 °C (z.B. Porzellan für Isolatoren)<br />
Als Grenzübertemperatur wird die maximale Temperaturdifferenz zum<br />
Kühlmittel bezeichnet. Diese Differenz wird in Kelvin angegeben. Bei<br />
Luftkühlung wird die Kühlmitteltemperatur mit 40 °C angenommen.<br />
Bei Wicklungen liegen die Grenzübertemperaturen im Bereich von etwa<br />
75 bis 100 K. Bei Produkten mit Materialien aus Glimmer, Glas oder<br />
Silikonen können die Temperaturdifferenzen bis zu etwa 125 K betragen.<br />
Im Vergleich <strong>da</strong>zu liegen die Grenzübertemperaturen von Gleit- oder<br />
Wälzlagern im Bereich von etwa 45 bis 65 K.
3.10.2 Betriebsarten<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Die Erwärmung einer Maschine hängt auch <strong>da</strong>von ab, wie lange sie in<br />
Betrieb ist. Bei einem nur kurzzeitigen Betrieb kann eine Maschine trotz<br />
höherer Belastung eine geringere Temperaturzunahme haben als bei<br />
einem längeren Zeitraum mit geringerer Belastung.<br />
Die Unterscheidung nach den zeitlichen Belastungen wird nach den<br />
Bemessungsbetriebsarten durchgeführt. Sie geben an, unter welchen<br />
Bedingungen eine Maschine betrieben werden kann.<br />
Beim Dauerbetrieb S1 wird eine Maschine mit ihrer Bemessungslast<br />
<strong>da</strong>uern betrieben, ohne <strong>da</strong>ss die zulässige Temperatur überschritten wird.<br />
Ist auf dem Leistungsschild der Maschine keine Angabe zur Betriebsart<br />
vorh<strong>and</strong>en, so kann die Maschine im Dauerbetrieb arbeiten.<br />
Beim Kurzzeitbetrieb S2 ist die Betriebs<strong>da</strong>uer der Maschine mit<br />
Bemessungslast kurz im Vergleich zu der abgeschalteten Zeit. Dadurch<br />
wird nicht die maximale Temperatur erreicht. In der Pause kühlt die Maschine<br />
wieder etwa auf die Umgebungstemperatur ab. Die Dauer des<br />
kurzzeitigen Betriebes ist festgelegt auf 10, 30, 60 oder 90 Minuten und<br />
muss auf dem Leistungsschild vermerkt sein.<br />
Beim Aussetzbetrieb S3 wird die stärkere Erwärmung beim Hochlaufen<br />
nicht berücksichtigt. Es wird ein Prozentwert angegeben, der festlegt,<br />
wielange der Motor innerhalb einer Spiel<strong>da</strong>uer von beispielsweise 10 Minuten<br />
eingeschaltet sein <strong>da</strong>rf.<br />
Der Aussetzbetrieb S4 berücksichtigt, <strong>da</strong>ss ein Motor sehr oft eingeschaltet<br />
wird oder <strong>da</strong>ss der Anlaufvorgang verhältnismäßig lange <strong>da</strong>uert. Hier<br />
wird zusätzlich <strong>da</strong>s Trägheitsmoment des Motors und <strong>da</strong>s größtmögliche<br />
Trägheitsmoment der Last mit angegeben.<br />
Das elektrische Bremsen von Motoren erzeugt zusätzliche Wärme. Beim<br />
Aussetzbetrieb S5 wird dies auf dem Leistungsschild zusätzlich mit angegeben.<br />
Weitere Betriebsarten gelten für den ununterbrochenen Lauf des Motors,<br />
allerdings nicht ständig unter Last.<br />
Die Betriebsart S6 gibt an, wielange innerhalb einer Spiel<strong>da</strong>uer der Motor<br />
unter Last arbeiten <strong>da</strong>rf. Bei der Betriebsart S7 wird wiederum die<br />
Erwärmung bei elektrischer Bremsung mit einbezogen.<br />
Arbeitet ein Motor mit verschiedenen Geschwindigkeiten, so wird die<br />
maximale Einschalt<strong>da</strong>uer durch die Betriebsart S8 angegeben. Die Betriebsart<br />
S9 <strong>da</strong>gegen berücksichtigt nichtperiodische Last- und Drehzahländerungen.<br />
Hier werden Lastspitzen mit berücksichtigt, die kurzzeitig<br />
weit über der Bemessungsleistung liegen.<br />
153
154<br />
Minos<br />
3.11 Betriebssicherheit<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Damit elektrische Unfälle vermieden werden, dürfen Arbeiten an elektrischen<br />
Anlagen grundsätzlich nur im spannungslosen Zust<strong>and</strong> durchgeführt<br />
werden. Dabei sind einige Ausnahmen zulässig.<br />
Weiterhin wird unterschieden nach elektrotechnischen Laien und Fachkräften.<br />
Von Laien dürfen nur Arbeiten durchgeführt werden, bei denen<br />
keine Spannungen über 50 V Wechselspannung oder 120 V Gleichspannung<br />
auftreten.<br />
Unterwiesene Personen sind keine Elektrofachkraft, sie haben jedoch<br />
eine entsprechende betriebliche Unterweisung erhalten. Eine Elektrofachkraft<br />
hat eine berufliche Ausbildung in einem Elektroberuf erhalten.<br />
Weiterhin wird jem<strong>and</strong> als Elektrofachkraft mit besonderen Kenntnissen<br />
bezeichnet, wenn er schon länger im Elektroberuf tätig ist oder beispielsweise<br />
eine zusätzliche Prüfung wie die Meisterprüfung abgelegt hat.<br />
Um einen spannungsfreien Zust<strong>and</strong> herzustellen wird nach bestimmten<br />
Regeln verfahren.<br />
Das Freischalten ist <strong>da</strong>s Trennen des Anlagenteils von allen spannungsführenden<br />
Leitungen. Geerdete Leiter gehören <strong>da</strong>bei nicht <strong>da</strong>zu. Bei<br />
Spannungen von über 1 kV sind <strong>da</strong>bei sichtbare Trennungsstellen herzustellen.<br />
Für <strong>da</strong>s Freischalten ist die aufsichtsführende Person zuständig. Vor<br />
Arbeitsbeginn ist unbedingt sicherzustellen, <strong>da</strong>s die Freischaltung vorgenommen<br />
wurde.<br />
Nach dem Freischalten ist zu verhindern, <strong>da</strong>ss der Anlagenteil nicht wieder<br />
mit dem Netz verbunden werden kann. Dies kann durch Entfernen<br />
von Schmelzsicherungen erfolgen. Ein Verbotsschild mit einem entsprechendem<br />
Hinweis ist zusätzlich an der Stelle der Freischaltung anzubringen.<br />
Im dritten Schritt ist zu überprüfen, ob durch <strong>da</strong>s Freischalten der Anlagenteil<br />
wirklich spannungsfrei ist. Damit wird festgestellt, ob auch alle<br />
Stromkreise erfasst worden sind. Das Überprüfen der Spannungsfreiheit<br />
muss an der Arbeitsstelle durchgeführt werden, nicht an der Stelle der<br />
Freischaltung.<br />
Bei Arbeiten beispielsweise an Freileitungen bis 1000 V sind diese im<br />
vierten Schritt kurzzuschließen und zu erden. Das <strong>da</strong>für erforderliche<br />
Gerät ist <strong>da</strong>bei zuerst mit der Erde und <strong>da</strong>nn mit der Anlage zu verbinden.<br />
Im fünften Schritt sind schließlich in der Nähe befindliche Teile die unter<br />
Spannung stehen, abzudecken. Ein Berühren wird <strong>da</strong>mit vermieden.<br />
Dieser Schritt ist wie der vierte nicht unbedingt erforderlich und dient der<br />
zusätzlichen Sicherheit.
3.11.1 Schutzmaßnahmen<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Minos<br />
Für <strong>da</strong>s Wiedereinschalten der Anlage sind diese fünf Schritte in umgekehrter<br />
Reihenfolge durchzuführen. Die Spannung <strong>da</strong>rf erst wieder eingeschaltet<br />
werden, wenn die Freigabe der Arbeitsstelle sicher gemeldet<br />
wurde.<br />
Um Kosten zu sparen ist auch <strong>da</strong>s Arbeiten unter Spannung möglich.<br />
Wegen der <strong>da</strong>mit verbundenen Gefahren sind besondere Sicherheitsmaßnahmen<br />
zu beachten. Diese Arbeiten dürfen auch nur von Personen<br />
mit einer Spezialausbildung durchgeführt werden.<br />
Um Unfälle mit elektrischer Energie zu vermeiden, dürfen unter Spannung<br />
stehende Teile einer Anlage nicht berührt werden. Unterschieden<br />
wird <strong>da</strong>bei in <strong>da</strong>s direkte zweipolige Berühren, bei dem der Strom von<br />
einer Leitung durch den Körper zu einer <strong>and</strong>eren Leitung fließt und <strong>da</strong>s<br />
einpolige Berühren. Hier fließt der Strom durch den Körper zur Erde.<br />
Prinzipiell ist <strong>da</strong>s einpolige Berühren ebenso gefährlich wie <strong>da</strong>s zweipolige<br />
Berühren. Nur wenn die berührende Person gegen die Erde isoliert<br />
ist, besteht keine Gefahr. Dies kann in Prüffeldern oder beim Arbeiten<br />
auf Potential bei Hochspannungsleitungen der Falls ein.<br />
Ein Schutz vor direkter Berührung erfolgt durch die Isolation von<br />
spannungsführenden Teilen oder durch Abdeckung oder Umhüllung dieser<br />
Teile. Durch Hindernisse muss <strong>da</strong>s zufällige Berühren verhindert<br />
werden.<br />
Als indirektes Berühren wird bezeichnet, wenn durch einen Isolationsfehler<br />
normalerweise spannungslose Teile Spannung führen.<br />
Eine weitere Schutzeinrichtung stellen Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen<br />
<strong>da</strong>r. Dabei wird mit einem Summenstromw<strong>and</strong>ler der zum Verbraucher<br />
fließende Strom mit dem zurückfließenden Strom verglichen. Bei einer<br />
ordnungsgemäß arbeitenden Anlage sind beide Ströme gleich groß.<br />
Bei einen Isolationsfehler würde ein Teil des Stromes nicht mehr über<br />
den Summenstromw<strong>and</strong>ler zurückfließen und die Sicherheitseinrichtung<br />
löst aus. Das Auslösen geschieht häufig bei einem Bemessungsdifferenzstrom<br />
von 30 mA. Durch diesen Strom dürfte kein tödlicher Unfall mehr<br />
geschehen können.<br />
Trotzdem sind Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen nur als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme<br />
anzusehen.<br />
155
156<br />
Minos<br />
3.11.2 Fehlerschutz<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
Als Fehlerschutz werden Maßnahmen bezeichnet, die bei einem<br />
Isolationsfehler eine Gefährdung verhindern. Besondere Beachtung wird<br />
<strong>da</strong>bei auf einen Schutz vor indirektem Berühren gelegt.<br />
Bei einem Isolationsfehler kann ein Körperschluss, ein Kurzschluss oder<br />
ein Erdschluss auftreten. Diese Fehler können einzeln oder auch gemeinsam<br />
auftreten.<br />
Als Körperschluss wird bezeichnet, wenn durch eine schadhafte Isolation<br />
am Körper der Maschine eine Spannung anliegt. Der Körper kann<br />
beispielsweise <strong>da</strong>s Gehäuse eines Motors sein.<br />
Ein Kurzschluss ist <strong>da</strong>s Berühren von zwei Leitern, die gegenein<strong>and</strong>er<br />
Spannung führen. Dabei können auch am Körper Spannungen auftreten.<br />
Als Erdschluss wird bezeichnet, wenn ein unter Spannung stehender<br />
Leiter Kontakt zur Erde hat. In der Erde kann <strong>da</strong>durch zwischen der<br />
Berührungsstelle durch den Leiter und weiter entfernten Stellen eine<br />
Spannung auftreten.<br />
Die Schutzmaßnahmen werden in drei Schutzklassen eingeteilt. Die<br />
Schutzklasse I verwendet einen Schutzleiter. Im Fehlerfall fließt der Strom<br />
über diesen Schutzleiter und löst ein Abschalten der elektrischen Energie<br />
aus.<br />
Bei der Schutzklasse II h<strong>and</strong>elt es sich um eine Schutzisolierung, die<br />
zusätzlich zu der Isolation der spannungsführenden Teile vorh<strong>and</strong>en ist.<br />
Hier <strong>da</strong>rf kein Schutzleiter angeschlossen sein.<br />
Zur Schutzklasse III gehört die Kleinspannung ELV. Hier <strong>da</strong>rf die<br />
Bemessungsspannung von 50 V Wechselspannung oder 120 V Gleichspannung<br />
nicht überschritten werden.<br />
Für bestimmte Bereiche gelten auch noch niedrigere Spannungen wie<br />
25 V Wechselspannung oder 60 V Gleichspannung. Hier ist ein Schutz<br />
gegen direktes Berühren nicht erforderlich. Dazu gehören Seilsysteme<br />
für Niedervolthalogenlampen und die Modelleisenbahn.<br />
Die Kleinspannung wird unterschieden in Sicherheits-Kleinspannung<br />
SELV, die keine Verbindung zur Erde hat und Schutz-Kleinspannung<br />
PELV, die geerdet sein kann.
Elektrische Antriebe und Steuerungen<br />
3.11.3 Elektromagnetische Verträglichkeit EMV<br />
Minos<br />
Die elektromagnetische Verträglichkeit betrifft vorallem elektronische<br />
Bauteile und <strong>da</strong>mit die Betriebssicherheit von Geräten mit elektronischen<br />
Komponenten.<br />
Hohe elektrische Spannungen von mehreren zehntausend Volt können<br />
durch elektrostatische Aufladung entstehen. Diese Spannungen entstehen<br />
durch Ladungstrennung bereits beim einfachen Laufen über einem<br />
synthetischen Teppichboden.<br />
Halbleiter können bereits durch wesentlich geringere Spannungen zerstört<br />
werden als bei elektrostatischen Aufladungen entstehen können.<br />
Deshalb sind diese Spannungen durch Berühren geerdeter Teile elektrisch<br />
zu entladen, bevor die Halbleiter direkt berührt werden. Für Arbeiten<br />
an elektronischen Komponenten sind entsprechend geerdete Arbeitsplätze<br />
erforderlich.<br />
Auch durch Blitzschlag können hohe elektrische Spannungen auftreten.<br />
Dabei ist ein direkter Einschlag in <strong>da</strong>s Energieversorgungsnetz oft garnicht<br />
die Ursache. Auch ein Einschlag in mehreren hundert Meter Entfernung<br />
kann über kapazitive oder induktive Kopplung Spannungen übertragen.<br />
Die Überspannungen müssen durch Überspannungsableiter zur Erde<br />
abgeleitet werden. Diese sind vor den zu schützenden Geräten einzufügen.<br />
Störungen können aber auch durch elektromagnetische Felder auftreten.<br />
Diese Störungen müssen auch an der Störungsquelle abgeschirmt<br />
werden. Dadurch wird beispielsweise auch vermieden, <strong>da</strong>ss Rundfunkund<br />
Fernsehsendungen beeinträchtigt werden.<br />
In der EU verkaufte elektrische Geräte müssen mit dem CE-Zeichen<br />
versehen werden. Verantwortlich ist <strong>da</strong>für derjenige, der die Geräte in<br />
Verkehr bringt. Durch <strong>da</strong>s CE-Zeichen wird bestätigt, <strong>da</strong>ss <strong>da</strong>s Gerät<br />
den europäischen Normen entspricht. Dazu gehört auch die EMV-Richtlinie.<br />
157
158<br />
Minos<br />
Elektrische Antriebe und Steuerungen