Dubbel

Die hauptsächlichen Grundlagen der Ingenieurwissenschaften und damit auch die Mathematik im Maschinenbau liegen in dem Kompendium „Die Grundlagen – HÜTTE“ aus gleichem Hause in einer relativ ausführlichen Zusammenfassung vor. Deshalb sollen hier Hinweise zur Literatur und einige Anmerkungen zu neueren Entwicklungen und wesentlichen Aspekten ausreichen.

Klarere Definitionen alter mathematischer Begriffe, neue Ingenieuranwendungen auf der Basis der klassischen Analysis und die Einführung verallgemeinerter Zahlendarstellungen ergänzen immer wieder die mathematischen Hilfsmittel des Ingenieurs. Beispiele gibt es hierfür in der Beschreibung von Stoffgesetzen mit Gedächtnis über fraktionale Ableitungen und in der Zuschärfung des Dirac-Delta Formalismus über integral formulierte Distributionen.

Von allen Teildisziplinen der Mathematik hatte in den letzten 30 Jahren die numerische Mathematik mit ihrer Realisierung auf programmierbaren Rechnern den mit Abstand größten Einfluss auf die Ingenieurwissenschaften. Universelle Lösungsstrategien wie die Finite Element Methode und hocheffektive Algorithmen erlauben die Behandlung von Problemen mit Millionen Freiheitsgraden. Analytische Verfahren treten dabei fast ganz in den Hintergrund und doch haben sie eine wesentliche Funktion bei der Kontrolle von Näherungsergebnissen.

Statik

Statik

ist

Statik starrer Körper

die Lehre vom Gleichgewicht am starren Körper oder an Systemen von starren Körpern. Gleichgewicht herrscht, wenn sich ein Gebilde in Ruhe oder in gleichförmiger geradliniger Bewegung befindet.

Starre Körper

Starre Körper

im Sinne der Statik sind Gebilde, deren Deformationen so klein sind, dass die Kraftangriffspunkte vernachlässigbar kleine Verschiebungen erfahren.

Die Kinematik ist die Lehre von der geometrischen und analytischen Beschreibung der Bewegungszustände von Punkten und Körpern. Sie berücksichtigt nicht die Kräfte und Momente als Ursachen der Bewegung.

Die Kinetik untersucht die Bewegung von Massenpunkten, Massenpunktsystemen, Körpern und Körpersystemen als Folge der auf sie wirkenden Kräfte und Momente unter Berücksichtigung der Gesetze der Kinematik.

Beispiele hierfür sind das Feder-Masse-System

Feder-Masse-System

, das physikalische Pendel

physikalische Pendel

, ein durch Bindungen auf einen Freiheitsgrad reduziertes Starrkörpersystem

Starrkörpersystem

(Bild 1). Zunächst werden nur lineare Systeme untersucht; bei ihnen sind die Differentialgleichungen selbst und die Koeffizienten linear.

Flüssigkeiten

Flüssigkeiten

und Gase

Gase

unterscheiden sich im Wesentlichen durch ihre geringe bzw. starke Kompressibilität

starke Kompressibilität

. Sie haben viele gemeinsame Eigenschaften und werden einheitlich als Fluide bezeichnet. Sie sind leicht verschieblich und nehmen jede äußere Form ohne wesentlichen Widerstand an; meist können sie als homogenes Kontinuum angesehen werden.

Aufgabe der Strömungslehre ist die Untersuchung der Größen Geschwindigkeit, Druck und Dichte eines Fluids als Funktion der Ortskoordinaten

x

,

y

,

z

bzw. bei eindimensionalen Problemen (z. B. Rohrströmungen) als Funktion der Bogenlänge

s

. Bei vielen Strömungsvorgängen ist die Kompression auch bei gasförmigen Fluiden vernachlässigbar (z. B., wenn Körper von Luft normaler Temperatur und weniger als 0,5facher Schallgeschwindigkeit umströmt werden). Dann gelten auch dafür die Gesetze inkompressibler Medien (Strömungen mit Änderung des Volumens s. D 7.2).

Die Ähnlichkeitsmechanik hat die Aufgabe, Gesetze aufzustellen, nach denen am (in der Regel verkleinerten) Modell gewonnene Versuchsergebnisse auf die wirkliche Ausführung (Hauptausführung

Hauptausführung

) übertragen werden können. Modellversuche

Modellversuche

sind erforderlich, wenn eine exakte mathematisch‐physikalische Lösung eines technischen Problems nicht möglich ist, oder wenn es gilt, theoretische Grundlagen und Arbeitshypothesen in Versuchen zu bestätigen. Die Modellgesetze der Ähnlichkeitsmechanik bilden somit die Grundlage für das umfangreiche Versuchswesen in der Statik, Festigkeitslehre, Schwingungslehre, Strömungslehre, dem Schiffs- und Schiffsmaschinenbau, Flugzeugbau, Wasser- und Wasserturbinenbau, für wärmetechnische Probleme usw.

Die Festigkeitslehre

Festigkeitslehre

soll Spannungen und Verformungen

Spannungen und Verformungen

in einem Bauteil ermitteln und nachweisen, dass sie mit ausreichender Sicherheit gegen Versagen des Bauteils aufgenommen werden. Ein Versagen kann in unzulässig großen Verformungen oder Dehnungen, im Auftreten eines Bruchs oder im Instabilwerden (z. B. Knicken oder Beulen) des Bauteils bestehen. Die hierfür maßgebenden Werkstoffkennwerte sind abhängig vom Spannungszustand (ein-, zwei- oder dreiachsig), von den Spannungsarten (Zug-, Druck-, Schubspannungen), vom Belastungszustand (statisch oder dynamisch), von der Betriebstemperatur sowie von der Größe und der Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils.

Im Bereich konstanter Längs- oder Normalkraft

Aufgabe der Elastizitätstheorie ist es, den Spannungs- und Verformungszustand eines Körpers unter Beachtung der gegebenen Randbedingungen zu berechnen, d. h.

Berühren

Beanspruchung bei Berührung zweier Körper (Hertz'sche Formeln)

zwei Körper einander punkt- oder linienförmig, so ergeben sich unter Einfluss von Druckkräften Verformungen und Spannungen nach der Theorie von Hertz [1, 2]. Ausgangspunkt für die Lösungen von Hertz sind die Boussinesq'schen Formeln C 3 Gl. (11). Vorausgesetzt wird dabei homogenes, isotropes Material und Gültigkeit des Hooke'schen Gesetzes, ferner alleinige Wirkung von Normalspannungen in der Berührungsfläche.

Unter der Voraussetzung, dass die Plattendicke

Plattendicke

h

klein zur Flächenabmessung und die Durchbiegung

w

ebenfalls klein ist, ergibt sich mit der Flächenbelastung

p

(

x

,

y

) und der Plattensteifigkeit

Plattensteifigkeit

Spannungen

dynamische Beanspruchung umlaufender Bauteile durch Fliehkräfte

und Verformungen mit der Winkelgeschwindigkeit ω

Winkelgeschwindigkeit ω

umlaufender Bauteile lassen sich nach den Regeln der Statik und Festigkeitslehre ermitteln, wenn man im Sinne des d'Alembert'schen Prinzips

d'Alembert'sches Prinzip

die Fliehkräfte

Fliehkräfte

(Trägheitskräfte

Trägheitskräfte

, negative Massenbeschleunigungen

negative Massenbeschleunigungen

)

Schlanke Stäbe oder Stabsysteme gehen unter Druckbeanspruchung bei Erreichen der kritischen Spannung

kritische Spannung

oder Last aus der nicht ausgebogenen

ausgebogene Gleichgewichtslage

(instabilen) Gleichgewichtslage

instabile Gleichgewichtslage

in eine benachbarte gebogene (stabile) Lage

stabile Lage

über. Weicht der Stab in Richtung einer Symmetrieachse aus, so liegt (Biege‑)knicken vor, andernfalls handelt es sich um Biegedrillknicken

Biegedrillknicken

(s. C 7.1.6).

Die Theorien zur Formulierung physikalischer Sachverhalte führen in der Regel auf mehrdimensionale Randwert- bzw. Anfangswertaufgaben, die durch ein System von Differentialgleichungen bzw. Integralgleichungen

Integralgleichungen

beschrieben werden [10]. Finite Berechnungsverfahren sind Verfahren, mit denen diese Differential‐ bzw. Integralgleichungen numerisch gelöst werden können. Zum Einsatz kommen drei finite Berechnungsverfahren: Finite Element Methode (FEM), Finite Differenzen Methode (FDM), Boundary Element Methode (BEM).

Wird bei der Beanspruchung eines Werkstoffs die Elastizitätsgrenze überschritten und treten nach Entlastung bleibende Dehnungen

Der Festigkeitsnachweis hat im Rahmen des Produktentstehungsprozesses die Aufgabe, alle möglichen Versagensarten eines Bauteils während der Produktlebensdauer auszuschließen. Grundsätzlich kann dieser Nachweis durch umfassende Bauteilversuche mit anwendungsspezifischen Belastungen an fertigen Bauteilen auf statistischer Grundlage erbracht werden. Der zeitliche und finanzielle Aufwand für solche betriebsnahen Versuche ist nicht unerheblich, andererseits aus Gründen der Produkthaftung nicht immer zu vermeiden. Zur Verringerung des Aufwandes können

rechnerische Festigkeitsnachweise

dienen, wenn die zugehörigen Berechnungen und Bewertungen alle relevanten Einflussgrößen in angemessener Weise berücksichtigen und Unsicherheiten durch problemangepasste Sicherheitsabstände ausgeglichen werden.

Die

Thermodynamik

Aufgaben der

Thermodynamik

Thermodynamik

ist als Teilgebiet der Physik eine allgemeine Energielehre. Sie befasst sich mit den verschiedenen Erscheinungsformen der Energie und deren Umwandlung ineinander. Sie stellt die allgemeinen Gesetze bereit, die jeder Energieumwandlung zugrunde liegen.

Häufig

Temperaturen

sprechen wir von „heißen“ oder „kalten“ Körpern, ohne solche Zustände zunächst genau durch eine Zustandsgröße zu quantifizieren.

Der

Hauptsatz

erster

erste Hauptsatz ist ein

Erfahrungssatz

. Er kann nicht bewiesen werden und gilt nur deshalb, weil alle Schlussfolgerungen, die man aus ihm zieht, mit der Erfahrung in Einklang stehen. Er besagt allgemein, dass Energie nicht verloren geht und nicht aus dem Nichts entsteht. Energie ist also eine Erhaltungsgröße. Das bedeutet, dass die Energie eines Systems

E

nur durch Austausch von Energie mit der Umgebung geändert werden kann, wobei man vereinbart, dass eine dem System zugeführte Energie positiv, eine abgeführte negativ ist.

Bringt

Hauptsatz

zweiter

man zwei Systeme A und B miteinander in Kontakt, so laufen Austauschvorgänge

Austauschvorgänge

ab, und es stellt sich nach hinreichend langer Zeit ein neuer Gleichgewichtszustand

Gleichgewichtszustand

ein. Als Beispiel sei ein System A mit einem System B verschiedener Temperatur in Kontakt gebracht. Im Endzustand besitzen die Systeme gleiche Temperatur. Es hat sich thermisches Gleichgewicht

Gleichgewicht

thermisches

eingestellt. Bis zum Erreichen des Gleichgewichts werden in kontinuierlicher Folge Nichtgleichgewichtszustände

Nichtgleichgewichtszustände

durchlaufen.

Nach

Exergie

dem

Anergie

ersten Hauptsatz bleibt die Energie in einem abgeschlossenen System konstant. Da man jedes nicht abgeschlossene System durch Hinzunahme der Umgebung in ein abgeschlossenes verwandeln kann, ist es stets möglich, ein System zu bilden, in dem während eines thermodynamischen Prozesses die Energie konstant bleibt. Ein Energieverlust ist daher nicht möglich. In einem thermodynamischen Prozess wird lediglich Energie umgewandelt. Wie viel von der in einem System gespeicherten Energie umgewandelt wird, hängt vom Zustand der Umgebung ab. Befindet sich diese im Gleichgewicht mit dem System, so wird keine Energie umgewandelt; je stärker die Abweichung vom Gleichgewicht ist, desto mehr Energie des Systems kann umgewandelt werden.

Um

Stoffthermodynamik

mit den allgemeinen für beliebige Stoffe gültigen Hauptsätzen der Thermodynamik umgehen und um Exergien und Anergien berechnen zu können, muss man Zahlenwerte für die Zustandsgrößen

Zustandsgrößen

U

,

H

,

S

,

p

,

V

,

T

ermitteln. Hiervon bezeichnet man die Größen

U

,

H

,

S

als

kalorische

und

p

,

V

,

T

als

thermische

Zustandsgrößen

Zustandsgrößen

kalorische

thermische

. Die Zusammenhänge zwischen ihnen sind stoffspezifisch. Gleichungen, die Zusammenhänge zwischen Zustandsgrößen angeben, bezeichnet man als

Zustandsgleichungen

.

Das

Zustandsänderungen

von Gasen und Dämpfen

geschlossene thermodynamische System habe die Masse

Ein Prozess, der ein System wieder in seinen Ausgangszustand zurückbringt, heißt

Kreisprozess

.

Ein

Gemische

Gemisch von idealen Gasen, die miteinander nicht chemisch reagieren, verhält sich ebenfalls wie ein ideales Gas.

Wärme in technischen Prozessen wird heute noch größtenteils durch Verbrennung gewonnen. Verbrennung ist die chemische Reaktion eines Stoffs, i. Allg. Kohlenstoff, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe, mit Sauerstoff, die stark exotherm, also unter Wärmefreisetzung abläuft. Die Brennstoffe können fest, flüssig oder gasförmig sein, und als Sauerstoffträger dient meistens die atmosphärische Luft. Zur Einleitung der Verbrennung muss der Brennstoff erst auf Zündtemperatur

Zündtemperatur

gebracht werden, die von der Art des Brennstoffs abhängt. Hauptbestandteil aller technisch wichtigen Brennstoffe

Brennstoffe

sind Kohlenstoff C und Wasserstoff H, daneben ist häufig auch noch Sauerstoff O und, mit Ausnahme von Erdgas, noch eine gewisse Menge Schwefel S vorhanden, aus dem bei Verbrennung das unerwünschte Schwefeldioxid SO

2

entsteht.

Bestehen

Wärmeübertragung

zwischen verschiedenen, nicht voneinander isolierten Körpern oder innerhalb verschiedener Bereiche eines Körpers Temperaturunterschiede, so fließt Wärme so lange von der

höheren

zur

tieferen

Temperatur, bis sich die verschiedenen Temperaturen angeglichen haben.

Eine funktionsgerechte Werkstoffauswahl basiert auf einer umfassenden rechnerischen und experimentellen Belastungs‐ und Beanspruchungsanalyse des Bauteils (s. C) und einem Vergleich der Beanspruchung mit geeigneten Werkstoffkennwerten.

Die Werkstoffprüfung dient der Ermittlung von

Eigenschaften

und

Kennwerten

unter

mechanischen

,

thermischen

oder

chemischen

Beanspruchungsbedingungen an Proben und Bauteilen. Ihr Anwendungsbereich umfasst die Werkstoff- und Verfahrensentwicklung, die Bereitstellung von Kennwerten für Berechnung und Konstruktion, die Fertigung von der Eingangsprüfung bis zur Abnahmeprüfung, das fertige Produkt während seiner Lebensdauer sowie die Aufklärung von Schadensfällen.

Als Eisenwerkstoffe werden die für Bauteile und Werkzeuge anwendbaren Metalllegierungen bezeichnet, bei denen der mittlere Gewichtsanteil an Eisen höher als der jedes anderen Legierungselements ist. Sie werden in die Gruppe der Stähle und Gusseisenwerkstoffe aufgegliedert. Beide Gruppen unterscheiden sich vor allem im Kohlenstoffgehalt und weisen teilweise sehr unterschiedliche Eigenschaften auf. Während die Stähle Eisenwerkstoffe darstellen, die sich i. Allg. für die Warmumformung eignen, erfolgt die Formgebung der Gusseisenwerkstoffe durch Urformen (s. S 2). Abgesehen von einigen Cr-reichen Stählen liegt der C‑Gehalt der Stähle unter rd. 2 %, der C‑Gehalt der Gusseisenwerkstoffe über 2 %. Während bei Stählen der Kohlenstoff im Eisengitter gelöst oder in chemisch gebundener Form vorliegt, tritt er im Gusseisen teilweise als Graphit auf. Stahlguss, dessen Formgebung ebenfalls durch Urformen erfolgt, wird zur Gruppe der Stähle gerechnet.

Kunststoffe sind organische, hochmolekulare Werkstoffe, die überwiegend synthetisch hergestellt werden. Sie werden als

Polymere

Polymere

(deshalb auch Polymerwerkstoffe genannt) aus

Monomeren

hergestellt durch

Polymerisation, Polykondensation

oder

Polyaddition

. Monomere

Monomere

sind Substanzen, die Kohlenstoff C, Wasserstoff H, Sauerstoff O sowie Stickstoff N, Chlor Cl, Schwefel S und Fluor F enthalten. Je nach Art der entstehenden Polymere unterscheidet sich dann das Verhalten:

Tribologie ist die Wissenschaft und Technik von aufeinander einwirkenden Oberflächen in Relativbewegung (DIN 50 323, Teil 1). Diese Definition ist aus der englischen Originalfassung abgeleitet: Tribology – science and technology of interacting surfaces in relative motion and the practices related thereto [1]. Die Tribologie umfasst die Teilgebiete

Reibung

Reibung

, Verschleiß

Verschleiß

und

Schmierung

Schmierung

. Sie steht in enger Beziehung zu den Werkstoffen der beteiligten Körper, deshalb ihre Behandlung in Teil E.

Korrosion ist die physikochemische Wechselwirkung zwischen einem Metall und seiner Umgebung, die zu Veränderungen der Eigenschaften des Metalls führt und die zu erheblichen Beeinträchtigungen der Funktion des Werkstoffes, der Umgebung oder des technischen Systems, von dem diese einen Teil bilden, führen kann [1]. Diese Definition ersetzt frühere Betrachtungsweisen der Korrosion, in denen oft sehr unklar der Korrosionsprozess selbst, das Ergebnis in Form der Korrosionsprodukte oder der Korrosionsschaden gemeint waren. Insbesondere ergibt sich daraus, dass die Korrosion und Beständigkeit gegen Korrosion keineswegs eine reine Materialeigenschaft, sondern eine System- bzw. Bauteileigenschaft ist.

Im British Standard 7910 [16] werden folgende Kennwerte für die Fehlerbewertung in metallischen geschweißten sowie nicht geschweißten Bauteilen angegeben.

Energie- und signalverarbeitende Systeme vgl. Kap. P–R, T, U, X und Y.

Die Natur hat das Rad nicht erfunden weil die Hauptbewegungsarten Fliegen, Schwimmen, Tauchen, Laufen und Gleiten in Jahrmillionen kontinuierlicher Evolution, die noch anhält, zu derartiger Perfektion reiften. Die technischen Errungenschaften der Menschheit fallen gegen die der Natur zurück.

Beim

Bauteilverbindungen

Verbindungsschweißen

Verbindungsschweißen

werden die Teile durch Schweißnähte am Schweißstoß zum Schweißteil zusammengefügt. Mehrere Schweißteile ergeben die Schweißgruppe und mehrere Schweißgruppen die Schweißkonstruktion. Durch

Auftragschweißen

Auftragschweißen

können verschlissene Flächen von Werkstücken neu aufgetragen, Oberflächen weniger verschleißfester Werkstoffe mit Schichten aus Verschleißwerkstoffen gepanzert (Schweißpanzern), korrosiv unbeständige Trägerwerkstoffe mit korrosionsbeständigen Werkstoffen „plattiert“ (Schweißplattieren) oder zwischen nichtartgleichen Werkstoffen kann durch den Auftragwerkstoff eine beanspruchungsgerechte Bindung erzielt werden (Puffern). Neben Metallen lassen sich auch viele Kunststoffe durch Schweißen miteinander verbinden.

Wälzlager

Wälzlager

übertragen – wie auch

Gleitlager

Gleitlager

– Kräfte zwischen relativ zueinander bewegten Maschinenteilen und führen sie. Durch Zwischenschaltung von

Wälzkörpern

Wälzlager

Wälzkörper

wird das Gleiten durch ein Rollen mit kleinem Gleitanteil (

Wälzen

Wälzlager

Wälzen

) ersetzt,

Bild 1

, mit den Vorteilen:

Gleitlager

Gleitlagerungen

sollen relativ zueinander bewegte Teile möglichst genau, reibungsarm und verschleißfrei führen und Kräfte zwischen den Reibpartnern übertragen. Je nach Art und Richtung der auftretenden Kräfte werden statisch oder dynamisch belastete Radial- und Axialgleitlager unterschieden. Gleitlager werden mit Öl, Fett oder Festschmierstoffen, welche auch aus dem Lagerwerkstoff stammen können, geschmiert.

Zugmittelgetriebe

Zugmittelgetriebe

dienen zur Wandlung von Drehzahlen und Drehmomenten zwischen zwei oder mehr nichtkoaxialen Wellen, auch mit größeren Wellenabständen, bei geringem Bauaufwand. Als Zugmittel finden endlose Flachriemen, Keilriemen, Synchronriemen oder Ketten Verwendung, die die Riemenscheiben oder Kettenräder von An- und Abtriebswellen umschlingen und dabei Umfangsgeschwindigkeiten und Umfangskräfte übertragen [

1

, 

2

].

Vorteile:

Zahnradgetriebe

Schlupflose Übertragung von Bewegungen (Feingeräte) sowie von Leistungen (bis 120 MW in einem Eingriff). Hohe Leistungsdichte. Hoher Wirkungsgrad (beachte Bedingungen bei Schnecken- und Schraubradgetrieben).

Getriebe

Getriebe

Getriebetechnik

sind mechanische Systeme zum Wandeln oder Übertragen von Bewegungen und Kräften (Drehmomenten). Sie bestehen aus mindestens drei Gliedern, eines davon muss als

Gestell

Getriebe

Gestell

festgelegt sein [

R1

]. Hinsichtlich Vollständigkeit unterscheidet man zwischen der

kinematischen Kette

Getriebe

kinematische Kette

, dem

Mechanismus

und dem

Getriebe

. Der Mechanismus

Getriebe

Mechanismus

entsteht aus der Kette, wenn von dieser ein Glied als Gestell gewählt wird. Das Getriebe entsteht aus dem Mechanismus, wenn dieser an einem oder mehreren Gliedern angetrieben wird.

Fluidgetriebe übertragen Energie mittels eines strömenden Fluids (Flüssigkeit oder Gas), wobei die eingespeiste Leistung auf die spezifische Energie des Massenstroms übertragen und abtriebsseitig in die mechanische Form rückgewandelt wird. Fluide können in gleicher Weise mittels des Energiezustands (z. B. Druckgröße) oder der Stromstärke Signale übertragen.

Eine Auswahl von Sinnbildern zur Darstellung von Bauelementen in Schaltplänen gibt Anh. H 1 Bild 4 und H 3.2.1.

Der Umlauf der Druckflüssigkeit in einem hydrostatischen Getriebe heißt Kreislauf, der

offen

Hydrokreislauf

offener

oder

geschlossen

Hydrokreislauf

geschlossener

, mit oder ohne

Speisepumpe

Speisepumpe

ausgeführt wird. Ein Kreislauf ist durch mindestens ein Druckbegrenzungsventil (DBV) gegen Überlastung zu sichern, ggf. ist zusätzlich ein DBV zwischen Motor und Steuerventil erforderlich, wenn schiebende Last auftreten kann (

Bild 1 a

, Zylindertrieb).

Pumpen und Motoren werden über Leitungen und Ventile miteinander verbunden. Jeder Anschluss eines Motors bzw. eines Zylinders wird über zwei Widerstände gesteuert, die bei Schaltventilen die Zustände Widerstand groß (Ventil geschlossen) und Widerstand klein (Ventil offen) und bei Stetigventilen auch Zwischenzustände einnehmen können. Durch die möglichen Zustandskombinationen kann dem angesteuerten Verdrängerraum Medium zugeführt, von ihm Medium abgeführt oder der Verdrängerraum abgesperrt werden (siehe Bild 1 a). Beim Einsatz von Schaltventilen wird der gesamte Pumpenförderstrom entweder zum Motor oder zum Tank gefördert, der Einsatz von Stetigventilen lässt eine Zumessung nur eines Teils des Pumpenförderstroms zum Motor/Zylinder zu (beide Widerstände haben endlichen Wert).

Eigenschaften der Pneumatikantriebe sind:

Durch das Zusammenwirken mechanischer, elektrischer und elektronischer Komponenten lässt sich die Leistungsfähigkeit technischer Systeme erheblich steigern. Dies erfordert jedoch in Entwurf und Ausführung eine Anpassung der Funktionen einzelner Komponenten und Baugruppen sowie eine ganzheitliche und disziplinübergreifende Denkweise. Da herkömmliche Entwurfsmethoden solchen Anforderungen nur teilweise gerecht werden, entstand um 1970 eine neues Gebiet der Ingenieurwissenschaften: „Mechatronik“. Der Kunstbegriff Mechatronik erfasst zwei der wesentlichen Teilgebiete dieser Disziplin,

Mecha

nik und Elek

tronik.

Um elektronische Bauelemente mechanisch fixieren und elektrisch miteinander verbinden zu können, sind folgende Techniken gebräuchlich:

Der Aufbau mechatronischer Systeme beruht auf der engen Verknüpfung mechanischer, elektrischer und elektronischer Komponenten. Bei der Systementwicklung muss fachübergreifendes Wissen verfügbar sein, das insbesondere folgende Bereiche abdeckt: Präzisions‐ und Elektromechanik, Aktorik, Sensorik, Elektronik, Informations‐ und Regelungstechnik, Systemtheorie. Mechatronik ist somit nicht nur als Fachdisziplin zu sehen, sondern auch als Anleitung und Denkweise zur rationellen Produktentwicklung.

Müssen gasförmige, flüssige oder feste Medien erwärmt oder unter Wärmezufuhr einer stofflichen Umwandlung unterzogen werden, so werden hierzu spezielle auf den Prozess abgestimmte Apparate und Anlagen benötigt. Das wichtigste Unterscheidungsmerkmal besteht darin, ob die Wärme dezentral erzeugt werden kann oder ob die Wärmeerzeugung mit dem Behandlungsprozess gekoppelt werden muss. Dies hängt vom Temperaturniveau und der thermischen Beständigkeit des Apparatematerials ab. Bei Temperaturen etwa unterhalb 600 ℃ können Wärmeträgermedien wie Dampf zur Wärmezufuhr verwendet werden, die in einem zentralen Kraftwerk erzeugt werden. Die verschiedenen Medien sind dann im Apparat durch Wände getrennt, die in der Regel aus Stahl oder anderen Metallen bestehen. In solchen Apparaten werden organische Stoffprozesse durchgeführt, die im Kapitel N der Verfahrenstechnik behandelt werden. Bei Temperaturen oberhalb 600 ℃ können die Medien durch Wände auf Grund von deren begrenzten thermischen Festigkeiten nicht mehr getrennt werden. Die Wärmeerzeugung muss dann direkt mit dem Prozess gekoppelt werden. Diese thermischen Apparate werden als Industrieöfen bezeichnet. Sie werden zentral mit fossilen Brennstoffen oder elektrisch beheizt. In Industrieöfen finden typischerweise anorganische Stoffwandlungsprozesse statt, die in den meisten Fällen zu den Bereichen der Metallurgie und Mineralien gehören.

Drehrohröfen werden zur thermischen Behandlung von granular und stückig anfallenden Materialien eingesetzt. Der Größenbereich der Materialien reicht von einigen µm bis hin zu einem Meter wie beispielsweise bei Abfällen. Zum Transport der Materialien werden diese einem leicht geneigten, sich drehendem Rohr zugeführt, worauf der Name gründet. Die Bewegung des Materials ist in

Bild 1

veranschaulicht. In Längsrichtung fällt die Betthöhe des Materials kontinuierlich wie bei einer fließenden Flüssigkeit ab. Durch die Abnahme der potentiellen Energie wird die Reibung überwunden. Die Drehung fördert das Fließen des Materials. An der Wand wird das Material angehoben, wobei es relativ zur Wandbewegung in Ruhe bleibt. Auf einer schmalen Schicht rutscht das Material dann wieder abwärts. Nur während dieses Abwärtsfließens wird das Material auf Grund der Neigung in Längsrichtung transportiert. Zwischen

Hubregion

Hubregion

und

Gleitschicht

Gleitschicht

findet ein Queraustausch des Materials statt, was die Durchmischung fördert.

Schachtöfen

Schachtöfen

dienen zur

Kalzination

Kalzination

von Kalkstein

Bei Öfen für geformtes Gut unterscheidet man, ob das Gut lediglich erwärmt werden soll oder ob eine Wärmebehandlung durchzuführen ist. In diesem Fall muss das Gut auch wieder definiert abgekühlt werden. Nur erwärmt werden typischerweise metallische Güter wie Brammen, Knüppel, Stäbe, Rohre und Blöcke um diese anschließend zu walzen, pressen, schmieden oder ziehen. Hierzu werden Stoß-, Hubbalken‑, Drehherd-, Rollen-, Herdwagen- und Tieföfen eingesetzt. Wärmebehandelt werden metallische Körper zum Härten, Nitrieren, Aufkohlen, Rekristallisieren nach Umformprozessen, usw. Keramische Körper werden stets wärmebehandelt. Diese werden entsprechend ihrer mineralogischen Zusammensetzung zunächst auf definierte Temperaturen erwärmt, um eine Sinterung durchzuführen. Durch die danach auch notwendige Abkühlung sind die Öfen sehr lang (tunnelförmig) oder bei Chargenöfen entsprechend die Behandlungszeiten. Typische Öfen für Wärmebehandlungsverfahren sind Tunnelwagen-, Rollenherd‑, Herdwagen-, Hauben- und Kammeröfen. Auf einige Öfen wird im Folgenden näher eingegangen.

Den überwiegenden materiellen Wert einer Ofenanlage stellen die unterschiedlichen

Feuerfestmaterialien

Feuerfestmaterialien

dar. Das hauptsächliche Kriterium für einen langlebigen Einsatz dieser Materialien ist die Anwendungsgrenztemperatur.

Wärmeübertrager

Wärmeübertrager

sind Apparate, in denen ein Fluid erwärmt oder abgekühlt wird. In Industrieöfen ist ein Fluid ein fluidisierter granularer Feststoff wie bei Drehrohröfen oder ein transportiertes stückiges Gut. Das Heiz- oder Kühlmedium ist in der Regel ein anderes Fluid. Verdampft oder kondensiert ein Fluid dabei, ist der Wärmeübergangskoeffizient so hoch, dass die Wandtemperatur als annähernd konstant angesehen werden kann. Die Temperaturunterschiede im Querschnitt des Fluids können vernachlässigt werden. Dessen Temperatur ändert sich somit nur mit der Strömungslänge.

PS

Apparatebau

Konstruktionselemente

Rohrleitungen

eines Druckraumes bei normaler Betriebsbelastung ist an einer festgelegten Stelle zu definieren. Dies ist entweder der Anschlusspunkt von Sicherheits‐ und/oder Begrenzungseinrichtungen oder der höchste Punkt des Druckraumes.

Eine florierende Wirtschaft ist von einer preisgünstigen, vor allem aber kontinuierlichen und sicheren Energieversorgung abhängig. Derzeit ist der steigende Ölpreis an den auch meist der Gaspreis gebunden ist, infolge verstärkter Nachfrage auf dem Weltmarkt von großem Einfluss. Die Energiewirtschaft

Energietechnik

Energiewirtschaft

umfasst alle technischen und wirtschaftlichen Maßnahmen der

Primärenergieerschließung und -gewinnung,

deren

Umwandlung, Transport

und

Verteilung

bis hin zur

Energieanwendung

beim Endverbraucher. Der Energiebedarf ist mit der Entwicklung der Bevölkerung verknüpft und beeinflusst ihren sozialen Fortschritt. In den letzten 50 Jahren war das Wachstum des Energieverbrauchs und des Bruttosozialprodukts in etwa gleich groß. Eine Entkopplung wird besonders in den Industrieländern angestrebt.

Die in den Brennstoffen als chemische Energie gespeicherte Sonnenenergie wird durch Oxidation der brennbaren Bestandteile Kohlenstoff, Wasserstoff und andere Elemente wieder in Wärme umgesetzt. Als Oxidationsmittel dient meist Luft, mitunter auch mit Sauerstoff angereichert, seltener reiner Sauerstoff. Verbrennungsvorgang s. D 10.1. Einen Vergleich auf der Basis Steinkohleneinheiten

Primärenergien

Steinkohleneinheiten (SKE)

(SKE) zeigt Anh. L 2 Tab. 1.

Zur

Nutzenergie

Gewinnung der Nutzenergie, die entweder als Strom, Wärme oder mechanische Energie abgesetzt wird, sind vorwiegend Verbrennungsprozesse unter Einsatz von Primärenergie wie Kohle, Öl, Gas und Kernenergie erforderlich. Der Umwandlungsprozess ist sehr aufwändig. Die vielseitigste verwendbare Nutzenergie ist der Strom. Der Umwandlungswirkungsgrad ist direkt mit dem CO

2

-Ausstoß verbunden. Der Umwandlungswirkungsgrad ist zzt. nur mit maximal 50 % zu veranschlagen, so dass alle zukünftigen Verbesserungen in der Kraftwerkstechnik eine Erhöhung auf über 50 % anstreben. Der Verbesserung des Wirkungsgrades wirkt der notwendige, erhöhte Aufwand für die Rauchgasreinigung bis hin zur CO

2

-Reduzierung entgegen.

Neben

Verteilen und Speicherung von Nutzenergie

Verteilung und Speicherung von Nutzenergie

Pipelines

den leitungsgebundenen Energien von Erdgas, Strom und Fernwärme spielen die Primärenergietransporte

Verteilen und Speicherung von Nutzenergie

Primärenergietransporte

von Kohle und Öl eine bedeutende Rolle. Für den Ausbau der Energietransportsysteme sind entscheidend die Lage heimischer Energievorkommen, die Importabhängigkeit und die dazu räumlich sich ergebenden Verbraucherschwerpunkte.

Bei Großkesseln, die für die Prozesswärme zur Strom- und Fernwärmeerzeugung eingesetzt werden, kommen die betrieblichen Vorteile des

Zwangsdurchlaufsystems

Feuerungen

Zwangsdurchlaufsystem

, wie Eignung für den sog. Gleitdruckbetrieb bei wärmeelastischer Konstruktion, besonders zur Geltung.

Der Begriff „Dampfkessel“ umfasst nach der Dampfkesselverordnung auch Heißwassererzeuger. Da hier nur dampferzeugende Anlagen behandelt werden, sind die einzelnen Anlagen mit „Dampferzeuger“, die Bauarten mit „Kessel“ bezeichnet worden [1–3].

Thermische Reaktoren [1–4] werden als Wärmequelle in Kernkraftwerken genutzt (s. L 3.1.2). Dabei wird die durch Kernspaltung von Atomkernen freigesetzte Energie in Wärme umgesetzt, die dann in elektrische Energie umgewandelt wird (s. L 2.5). Sie repräsentieren in Deutschland ein volkswirtschaftliches Vermögen von mehr als 30 Mrd. Euro. Ein bedeutendes Argument für den weiteren Betrieb sind die vermiedenen CO

2

-Emissionen. 2010 waren weltweit 443 Kernkraftwerke in Betrieb, weitere 372 sind in Bau oder Planung. In Europa wurden 2010 194 Kernkraftwerke betrieben, weitere 90 sind im Bau oder in Planung (davon 10 in Italien, 12 in Ungarn). Frankreich erzeugt seinen Strom zu etwa 80 % aus Kernkraftwerken.

Kältetechnische Anlagen wurden zunächst eingesetzt für Brauereien und Eisfabriken, Schlachthäuser, Fleisch- und Fisch-Gefrieranlagen, Malztennen‐ und Hopfenlagerkühlung, Molkereien, Marktkühlhallen, Margarinefabriken, Schokoladenherstellung, Champagnerbereitung, Gummifabriken, Leim- und Gelatinekühlung, Farbstoffherstellung, Glaubersalzkristallisation, Leichenkühlung, Transportkühlung auf Schiene, Straße und auf See, Kühlhäuser aller Art, gewerbliche Kühlräume, Paraffin- und Ölindustrie, Kunsteisbahnen, Schachtabteufen, klimatechnische Anlagen.

Die Aufgabe der Klimatechnik im Bereich der Komfortklimatisierung ist die Erzeugung und Aufrechterhaltung eines dem Menschen zuträglichen Raumluftzustandes. Bei der Produktklimatiserung in Gewerbe und Industrie stehen dagegen die Anforderungen an die Verarbeitungsfähigkeit, Lagerung oder die Qualität eines Produktes oder einer Dienstleistung im Vordergrund.

Einzelheizgeräte haben zur Wärmeerzeugung

Wärmeerzeugung

entweder einen

Feuerraum

zur Verbrennung von festen Brennstoffen, Öl oder Gas (Öfen), oder

elektrische Heizleiter

. Wegen des veränderlichen Wärmebedarfs ist die Wärmeerzeugung bzw. die Heizleistung der Außenwitterung entsprechend zu regulieren. Je nach Konstruktion des Heizgeräts überwiegt die Wärmeabgabe durch

Konvektion

oder

Strahlung

. Der Strahlungsanteil macht eine freie Aufstellung im Raum erforderlich. Wegen der Verbrennungsabgabe ist der Anschluss an einen Schornstein oder eine Abgasleitung nötig, was meist zur Innenwandaufstellung zwingt,

Bild 1

. Geräte, die an einen Wärmeträger angeschlossen sind und bei denen keine Wärmeerzeugung im Raum stattfindet, werden nicht zu den Einzelheizgeräten gerechnet.

Verfahrenstechnik ist Stoffwandlungstechnik. Sie befasst sich mit der industriellen Umwandlung von Ausgangsstoffen in einer Folge von physikalischen, chemischen oder biologischen Prozessen zu verkaufsfähigen Zwischen- oder Endprodukten. Sie hat ihren Ursprung in der chemischen Industrie, wobei die Ingenieure insbesondere die Aufgabe hatten, die vom Chemiker in Laborversuchen erarbeiteten Ergebnisse in den technischen Produktionsmaßstab zu übertragen. Diese (Maschinenbau-)Ingenieure waren dafür verantwortlich, dass die Vorstellungen der Chemiker, Physiker und Biologen interdisziplinär verbunden wurden. Aus ihrer Tätigkeit hat sich eine eigenständige Ingenieurwissenschaft, die Verfahrenstechnik entwickelt. Hier war es zunächst der Apparatebau, der Forderungen an die Entwicklung neuer Fertigungsverfahren und neuer Werkstoffe stellte. Besonders erfolgreich wurden die Kenntnisse des Maschinenbaus bei der Entwicklung der Hochdruckverfahren, z. B. der Ammoniak- und der Methanolsynthese umgesetzt.

Die Mechanische Verfahrenstechnik behandelt die

Wandlung stofflicher Systeme

durch vorwiegend

mechanische Einwirkungen

. Darunter versteht man die Umwandlung und den Transport mechanisch beeinflussbarer disperser Systeme. Mit mechanischen Kräften lassen sich Partikeln (Feststoffpartikeln, Flüssigkeitstropfen, Gasblasen) bis unter 1 µm Partikelgröße beeinflussen, in extrem hohen Fliehkraftfeldern noch eine 10er Potenz weiter. Die Mechanische Verfahrenstechnik umfasst somit schwerpunktmäßig den

grobdispersen

Bereich (0,1 µm bis 1 m) im Gegensatz zur Thermischen Verfahrenstechnik, deren Elemente molekulardispers und kolloiddispers sind (s.N 3). In neusten Entwicklungen werden auch Nanopartikel über Zerkleinern hergestellt, getrennt und in mechanischen Verfahren zu Produkten wie Granulaten verarbeitet.

In Apparaten und Maschinen der Thermischen Verfahrenstechnik

thermische Verfahrenstechnik

werden

fluide

Gemische getrennt.

Mit chemischen Reaktionen verbundene Stoffwandlungsprozesse besitzen in der Verfahrenstechnik eine zentrale Bedeutung. Die offensichtlichsten Anwendungen liegen dabei im Bereich der chemischen Industrie. Die zielgerichtete Nutzung, die sichere Beherrschung und die quantitative Beschreibung chemischer Reaktionen spielen allerdings auch in vielen anderen Industriezweigen eine wichtige Rolle.

In den meisten verfahrenstechnischen Prozessen finden an den Phasengrenzflächen disperser Systeme

Wärme-

und

Stoffaustauschvorgänge

, aber auch

chemische Reaktionen

statt. Diese Vorgänge werden ganz wesentlich von den Strömungsverhältnissen beeinflusst. Fortschritte bei der Verbesserung verfahrenstechnischer Prozesse sind oftmals nur zu erreichen, wenn die Strömungsverhältnisse gezielt beeinflusst werden können. Hierzu bedarf es jedoch guter Kenntnisse der physikalischen Vorgänge, die sich in mehrphasigen Systemen abspielen.

Mit der Expansion der Industriezweige Biotechnologie und Umwelttechnik bildete sich die Bioverfahrenstechnik

Bioverfahrenstechnik

(„Biochemical Engineering“) als eigenständige Ingenieurdisziplin aus. Um biologische und biochemische Stoffumwandlungsprozesse aus dem Labor in den industriellen Maßstab übertragen und technisch realisieren zu können, sind für den Bioverfahrenstechniker, zusätzlich zu seinem Wissen über das der klassischen Verfahrenstechnik hinaus, auch biologische und chemische Kenntnisse erforderlich. Die Bioverfahrenstechnik bildet somit eine Schnittmenge zwischen Biologie, Chemie und Technik.

In der Maschinendynamik untersucht man allgemein die Wechselwirkungen zwischen

Kräften

und

Bewegungen

an Maschinen. Dabei gibt es neben einer geforderten Dynamik, die für die Maschinenfunktion verlangt wird, auch eine unerwünschte Dynamik. Maschinen und Maschinenbauteile sind nämlich schwingungsfähige Systeme. Wenn zeitveränderliche Kräfte und/oder aufgezwungene Bewegungen angreifen, stellen sich

Maschinenschwingungen

ein. Im Vergleich zu den geforderten Bewegungen handelt es sich dabei zwar i. Allg. um kleine Bewegungen, die aber unter bestimmten Bedingungen recht gefährlich sein können. Besonders gefürchtet sind die sog.

Resonanzerscheinungen

, bei denen eine Frequenz der Anregung mit einer Eigenfrequenz der Maschinenstruktur übereinstimmt und damit zu einer Verstärkung der Schwingungsamplituden führt.

Die

Maschinenakustik

Maschinenakustik

ist ein Teilgebiet der

Technischen Akustik

Technische Akustik

. Sie befasst sich mit der Analyse der physikalischen Entstehungsmechanismen von technischen Geräuschen und mit der Konzeption und Umsetzung von technischen Maßnahmen zur

Lärmminderung

Lärmminderung

Geräusch

Geräuschminderung

Lärm

und gezielten Geräuschbeeinflussung.

Kolbenmaschinen sind Fluidenergiemaschinen, die als Arbeitsmaschinen die Energie eines Fluids (Gas, Flüssigkeit) mittels eines Verdrängers (Kolbens) durch Zufuhr mechanischer Energie erhöhen oder als Kraftmaschinen unter Abfuhr mechanischer Energie vermindern.

Verdrängerpumpen nehmen das von der Saugleitung in den Arbeitsraum geflossene Fördermedium auf und verschieben es dann in die Druckleitung. Die Verschiebearbeit des Verdrängers erhöht die Energie (Druckenergie, Geschwindigkeitsenergie, potentielle Energie) des Fördermediums und deckt die Rohrreibungsverluste. Zur Kapselung und Ein- und Auslasssteuerung des Fördermediums werden druckgesteuerte Ventile oder Wegsteuerung durch Schieber, durch Steuerkanten im Arbeitsraum oder durch weggesteuerte Ventile eingesetzt. Nach der Verdrängerkinematik werden oszillierende und rotierende Verdrängerpumpen unterschieden. Verdrängerpumpen sind in der Lage, eine Saugleitung selbsttätig zu entlüften und arbeiten in dieser Betriebsphase als Verdränger‐Vakuumpumpen.

Verdrängerkompressoren kapseln das angesaugte Gas und schieben es dann in die Druckleitung. Während der Kapselung verkleinert sich der Arbeitsraum, sodass Druck und Temperatur des Gases ansteigen (innere Verdichtung). Die Verdichtung auf höhere Drücke erfolgt über einen oder mehrere hintereinandergeschaltete Arbeitsräume (Stufen), zwischen denen das Gas gekühlt wird (Außenkühlung). Dadurch wird der Temperaturanstieg begrenzt und die erforderliche Verdichtungsarbeit vermindert.

Verbrennungsmotoren sind Kolbenmaschinen, die Wärme in mechanische Energie umwandeln. Dazu wird die durch Verbrennung als Wärme frei werdende chemische Energie eines Kraftstoffes einem in einem begrenzten Raum eingeschlossenen gasförmigen Arbeitsmedium zugeführt und in potentieller Form (Druck) ausgenutzt. Für den gasdichten, veränderlichen Arbeitsraum werden Hubkolben- und Rotationskolbenmotoren (HKM bzw. RKM) verwendet.

Kraftfahrzeuge

Kraftfahrzeugtechnik

sind selbstfahrende, maschinell angetriebene Landfahrzeuge, die nicht an Gleise gebunden sind. Sie dienen dem Transport von Personen und Gütern und sind die Basis für eine weiträumige und feingliedrige Arbeitsteilung. Sie erlauben die vielfältig differenzierte Darstellung von Statusansprüchen. Sie dienen auch dem Vergnügen. Eine fast unübersehbare Vielfalt von Varianten und speziellen Ausführungen ist entstanden.

Mit

Schienenfahrzeuge

der Richtlinie 91/440/EWG des Rates vom 29. Juli 1991 zur Entwicklung der Eisenbahnunternehmen der Gemeinschaft begann die Umwandlung der früheren europäischen Staatsbahnen in eigenverantwortliche, grenzüberschreitend agierende Wirtschaftsunternehmen.

Sich frei und willkürlich durch den Luftraum

Luftfahrzeuge

zu bewegen, das ist seit jeher ein Menschheitstraum. Das Wort

Flugzeug

Flugzeug

ist erst etwas mehr als ein Jahrhundert alt. Otto Lilienthal

Lilienthal

nannte als Erster seine Gleitflugapparate

Flugzeug.

1891 führte er den ersten gesteuerten Menschenflug von einem aufgeschütteten Fliegeberg in Lichtenfelde bei Berlin durch.

In Strömungsmaschinen

Strömungsmaschinen

wird von einem mit Schaufeln bestückten Läufer oder Rotor an ein kontinuierlich strömendes Fluid entweder Arbeit übertragen und ihm dadurch Energie zugeführt: an der Welle der angetriebenen Arbeitsmaschine ist mechanische Leistung aufzuwenden; oder dem Fluid wird Energie entzogen und in mechanische Arbeit umgewandelt: die treibende Kraftmaschine gibt Leistung an der Welle ab.

Die Wasserturbinen haben die Aufgabe, die Lage-, Druck- oder Geschwindigkeitsenergie des Wassers für die Erzeugung mechanischer Arbeit auszunutzen.

Pumpen heben Flüssigkeiten bzw. erhöhen deren Druck oder Geschwindigkeit. Bei Kreiselpumpen erfolgt dies, indem mechanische Arbeit durch die Fliehkraft und Umlenkung des Mediums in Schaufelrädern übertragen wird. Fördermedien

Kreiselpumpen

Fördermedien

sind neben Wasser auch aggressive Medien und zähe Fluide bis hin zum Flüssigbeton.

Schiffspropeller

Propeller

Profile

sind hydrodynamische Strömungsarbeitsmaschinen meistens axialer Bauart zur Erzeugung eines Vortriebs.

Hydrodynamische Leistungsübertragung mit Kreiselpumpe (P) und Flüssigkeitsturbine (T) in einem gemeinsamen Gehäuse. P ist mit der Antriebswelle verbunden, T mit der Abtriebswelle [1–6].

Der Beitrag basiert auf Ausführungen der 19. Auflage von L. Busse, Mannheim.

Turboverdichter sind Strömungsmaschinen zur Verdichtung von Gasen nach dem dynamischen Prinzip. Als Element der Energieübertragung auf das Gas dient das beschaufelte, kontinuierlich durchströmte Laufrad. Druck, Temperatur und Geschwindigkeit des Gases sind nach dem Verlassen des Laufrads größer als am Eintritt. Das dem Laufrad nachgeschaltete Leitteil sorgt für weitere Druck- und Temperaturerhöhung durch Verzögerung der Geschwindigkeit (s.  R  1).

Die Gasturbine zählt zu den Wärmekraftmaschinen, weil sie, in der Regel durch Verbrennung von Brennstoff freigesetzte, Wärme in mechanische Energie (Wellenleistung) oder in Schubkraft (bei Luftfahrt‐Triebwerken) umsetzt. Sie besteht im einfachsten Fall Bild 1 a) aus einem Verdichter, einer Turbine und einer Brennkammer.

Fertigen

Fertigen

ist Herstellen von Werkstücken geometrisch bestimmter Gestalt (

Kienzle

).

Das

Urformen

Urformen

ist eine Hauptgruppe der Fertigungsverfahren. Wie

Tab. 1

zeigt, ist es den anderen Fertigungsverfahren vorgeordnet und schafft Voraussetzungen für deren Anwendung.

In S 3.5 wurden bewährte Bilder aus der 16. Aufl., S 3.3 (K. Lange u. a.), übernommen.

Trennen

Trennen

ist Fertigen durch Ändern der Form eines festen Körpers. Der Stoffzusammenhalt wird örtlich aufgehoben. Die Endform ist in der Ausgangsform enthalten. Das Zerlegen zusammengesetzter (gefügter) Körper wird dem Trennen zugerechnet (nach DIN 8580).

Gewindedrehen ist ein Schraubdrehen zur Erzeugung eines Gewindes mit einem einprofiligen Meißel.

Gesamtheit aller Vorgänge, die dem Zusammenbau von geometrisch bestimmten Körpern dienen. Dabei kann zusätzlich formloser Stoff zur Anwendung kommen [1, 2]. Als Hauptfunktion der Montage ist das Fertigungsverfahren

Fügen

zu sehen, das den eigentlichen Prozess des Schaffens einer Verbindung zwischen mehreren Teilen bewirkt.

Definition: Das Ziel eines Produktionsbetriebs ist das Erzielen von Wertschöpfung an einer Sachleistung (Produkt).

Die Einteilung der Fertigungsanlagen ist an die Gliederung der Fertigungsverfahren für die Metallbearbeitung, DIN 8580, angelehnt. Der Begriff Werkzeugmaschine

Werkzeugmaschine

Elemente

beschränkt sich auf die Fertigungsverfahren des Umformens, Trennens und Fügens. Werkzeugmaschinen werden definiert als „mechanisierte und mehr oder weniger automatisierte Fertigungseinrichtungen, die durch relative Bewegungen zwischen

Werkzeug

und

Werkstück

eine vorgegebene Form oder Veränderung am Werkstück erzeugen“. Einzel- und Mehrmaschinensysteme bestehen aus einem bzw. mehreren Maschinengrundsystemen sowie weiteren Funktions- und Hilfssystemen.

Dieses Kapitel behandelt die unterschiedlichen Ausprägungen von Steuerungen für die Fertigungstechnik. Nach einer Einführung und Begriffsdefinition wird insbesondere auf elektronische Steuerungen und deren Komponenten, wie sie heute in der Automatisierung Anwendung finden, eingegangen.

In diesem Kapitel wurden bewährte Bilder mit Textteil aus der 16. Aufl., S 4.7 (K. Lange u. a.), übernommen.

In diesem Kapitel wurden bewährte Bilder mit Textteilen aus der 16. Aufl., S 3.4 (K. Lange u. a.), übernommen.

Rotationsorientierte

Werkzeugmaschinen

spanende

Teile werden auf Drehmaschinen gefertigt. Das Werkstück führt die kreisförmige Schnittbewegung um eine werkstückgebundene Drehachse aus, während das Werkzeug die Vorschubbewegung in einer zur Schnittrichtung senkrechten Ebene vollzieht. Bei Sonderbauformen kann auch das Werkzeug umlaufen. Die Verwendung angetriebener Werkzeuge erlaubt auch leichte Bohr- und Fräsoperationen und damit die Fertigung von Planflächen, Nuten sowie außermittiger oder quer zur Werkstückachse orientierter Bohrungen auf der Drehmaschine.

Schweißen und Löten s. G 1.1–1.2.

Handhabungsgeräte sind Arbeitsmaschinen, die zur Handhabung von Objekten mit zweckdienlichen Einrichtungen, wie z. B. Greifern oder Werkzeugen ausgerüstet sind.

Die Aufgabe der

Fördertechnik

ist das Fortbewegen

(Fördern)

von Gütern und Personen über begrenzte Entfernung innerhalb einer örtlich begrenzten und zusammenhängenden Betriebseinheit unter Einsatz von technischen Mitteln, den

Fördermitteln

Fördermittel

[1]. Zu ihnen gehören die Fördermaschinen (U 1.1.2).

Tragmittel

Tragmittel

sind nach DIN 15 003 mit dem Hebezeug fest verbunden, z. B. Lasthaken. Die Last wird über Anschlagmittel

Anschlagmittel

(z. B. Anschlagseil) oder über spezielle Lastaufnahmemittel

Lastaufnahmemittel

(z. B. Lasthebemagnet, Greifer) mit dem Tragmittel verbunden. Die Tragfähigkeit

Tragfähigkeit

entspricht dabei der Summe aus Lastaufnahmemittel und der entsprechend reduzierten Nutzlast des Hebezeugs. Eine Aufstellung gebräuchlicher Trag-, Lastaufnahme- und Anschlagmittel enthält DIN 15 002.

Flurförderzeuge (Ffz), auch als Flurfördermittel

Flurfördermittel

oder Flurförderer

Flurförderer

bezeichnet, sind auf dem Boden (Flur), nicht auf Schienen fahrende Fördermittel für den innerbetrieblichen Transport. Sie dienen je nach Bauart zum Befördern, Ziehen, Schieben, Heben, Stapeln oder zum Ein- und Auslagern von Lasten in Regale sowie zum Be- und Entladen von Verkehrsmitteln.

Elektrohängebahnen sind schienengeführte, flurfrei angeordnete Transportsysteme mit einzeln angetriebenen Fahrzeugen [1]. Hierdurch ist ein reversierbarer Betrieb möglich. Sie dienen zur Verbindung einer oder mehrerer Quellen mit einer oder mehreren Senken sowie zum Puffern und Sortieren von Stückgütern.

In den Geltungsbereich der Personenfördertechnik fallen die Aufzüge, die Seilbahnen und Aufstiegshilfen, die Fahrtreppen und Fahrsteige und die Schachtförderanlagen. Bei den

Aufzügen

wird zwischen Seil‑, Hydraulik‑, Spindel‑, Trommel‑ und Zahnstangenaufzügen unterschieden. Seil- und Hydraulikaufzüge haben einen Anteil von 98 %. Unter

Seilbahnen

fallen die Seilschwebebahnen im Pendel- und im Umlaufbetrieb mit Tragseil (meist vollverschlossenes Spiralseil) und Zugseil (Rundlitzenseil). Bei Einseilumlaufbahnen sind die Funktionen von Zug- und Tragseil im Förderseil zusammengeführt.

Definition der Stetigförderer, Übersicht, Einteilung und Vorteile s. U 1, U 1.1.3.

In der automatisierten Materialflusstechnik übernehmen Steuerungen die Aufgabe, Bewegungen von Gütern in Anlagen zeitlich und räumlich zu koordinieren. Gerätetechnisch unterscheidet man die Steuerungen nach der Komplexität ihres Aufbaus und der Art der Programmierung. Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) nach IEC 61131, in vernetzten und hierarchischen Strukturen organisiert, sind die in der Materialflusstechnik wichtigsten Steuerungen [1, 2]. Eingesetzt werden auch Mikrocontrollersteuerungen, PC-basierte Steuerungen, Numerische Steuerungen und Robotersteuerungen.

Als Baumaschinen

Baumaschinen

wird die Gesamtheit der Maschinen und Geräte bezeichnet, die im Bauwesen

Die Elektrotechnik umfasst die Gesamtheit der technischen Anwendungen, in denen die Wirkungen des elektrischen Stroms und die Eigenschaften elektrischer und magnetischer Felder ausgenutzt werden. Ihre Verfahren und Produkte unterliegen der laufenden Weiterentwicklung und durchdringen zunehmend alle Bereiche des öffentlichen und privaten Lebens.

Ein einfacher Transformator

Transformator

weist zwei Wicklungen (

Primärwicklung 1

und

Sekundärwicklung 2

) auf, die magnetisch gekoppelt sind [1]. Er stellt damit einen umkehrbaren Vierpol dar. Aktive Teile des Transformators sind das Wicklungskupfer und das den magnetischen Fluss führende Eisen; je nach Aufbau spricht man vom

Kern-

oder

Manteltransformator

(Bild 1).

Elektrische Maschinen

elektrische Maschinen

wandeln mechanische in elektrische Energie (

Generator

) oder umgekehrt (

Motor

). Jede Maschine weist (mindestens) ein ruhendes und ein bewegliches Hauptelement auf; bei drehenden Maschinen sind dies

Stator

und

Rotor

. In der Regel sind sie aus lamelliertem Eisen aufgebaut und tragen Wicklungen aus isolierten Kupferleitern. Die Drehmomentbildung geschieht überwiegend elektromagnetisch durch Kraftwirkung im magnetischen Feld. Maßgebend dafür sind der Strombelag der Wicklung, die den Laststrom führt, und die magnetische Flussdichte im Luftspalt zwischen Stator und Rotor [1, 2–5].

Die Aufgaben der Leistungselektronik

Leistungselektronik

sind das

Schalten, Steuern

und

Umformen

elektrischer Energie mittels elektronischer Bauelemente. In der elektrischen Antriebstechnik, in der Energieverteilung, in Elektrochemie und Elektrowärme werden Betriebsmittel der Leistungselektronik in zunehmendem Umfange eingesetzt [1–4].

Antriebe sollen in geeigneter Form die Energie für technische Bewegungs- und Stellvorgänge liefern.

Zur Übertragung und Verteilung elektrischer Energie in Netzen und Anlagen werden Freileitungen und Starkstromkabel sowie Transformatoren und Schaltgeräte eingesetzt (s. L 4). Weitere Betriebsmittel sind Messwandler, Sicherungen, elektrische Relais und Meldeeinrichtungen. Schließlich sind unter den Betriebsmitteln hier auch Stromrichter zu nennen [1–5]. Die Betriebsführung der Netze erfolgt mit Rechnern.

Beim Stromdurchgang durch einen ohmschen Widerstand wird nach

Aufgabe der Messtechnik ist die experimentelle Bestimmung quantitativ erfassbarer Größen in Wissenschaft und Technik. Für die Ingenieurwissenschaften liefert die Mess- und Prüftechnik Unterlagen zur Optimierung der Entwicklung, Konstruktion und Fertigung von Bauteilen und technischen Systemen sowie zur Beurteilung der Eigenschaften, Funktion, Qualität und Zuverlässigkeit technischer Produkte.

Die Messgrößen und Messverfahren der Technik basieren auf dem Internationalen Einheitensystem

Einheitensystem

sowie auf geeigneten Aufnehmer- und Sensorprinzipien.

Die mit den verschiedenen Messaufnehmern und Sensoren erfassten Messsignale sind i. Allg. Zeitfunktionen von statischen oder dynamischen, z. B. periodischen, sinusoidalen, impulsförmigen oder stochastischen Vorgängen. Dabei bestehen die folgenden grundlegenden Signalarten:

Jedes Messsystem hat prinzipiell die kombinierten Aufgaben der Messgrößenaufnahme, Messsignalverarbeitung und Messwertausgabe zu erfüllen (s. W 1 Bild 1). Die Messgrößenaufnahme führt entweder unmittelbar zu einer Messwertdarstellung (Ausschlagmethoden, s. W 2.2.1) oder liefert elektrische Signale für eine analoge oder digitale Messwertanzeige bzw. Messwertregistrierung.

Funktionelle Darstellungsweise:

Die Regelungstechnik ist eine Grundlagenwissenschaft, die im Maschinenbau in ganz unterschiedlicher Weise zur Anwendung kommt. Deshalb wird bei der einführenden Betrachtung von der konkreten technischen Realisierung Abstand genommen und statt dessen eine

funktionsbezogene

Darstellung gewählt, die am Beispiel des Systems mit Verzögerung verdeutlicht wird (Bild 1).

Für die nachfolgenden Erläuterungen wird von einem System oder Übertragungsglied mit einer Eingangsgröße

u

 (

t

) und einer Ausgangsgröße

υ

 (

t

) ausgegangen (Bild 1). Das Fragezeichen steht an der Stelle, wo später die Kennzeichnung des Systemverhaltens eingetragen wird.

Die Strecke (Regelstrecke) ist die „Funktionseinheit, die entsprechend der Regelungs- oder Steuerungsaufgaben beinflusst wird“ (DIN IEC 60050-351). Im Maschinenbau handelt es sich dabei um die zu regelnde Maschine oder ein Aggregat; die Strecke stellt im Regelkreis den passiven („geregelten“) Teil dar. Vor der Behandlung der Regelstrecken soll deshalb der gesamte Regelkreis im Überblick betrachtet werden.

Der

Regler

vereinfachte Regelkreis nach X 3 Bild 2 enthält außer der Regelstrecke nur den Regler. Ihm kommen nach DIN IEC 60050-351 die Aufgaben zu, durch den Vergleich der Regelgröße

x

mit der Führungsgröße

w

zunächst die Regeldifferenz

e

als Eingangsgröße und daraus die Stellgröße

y

als Ausgangsgröße des Reglers so zu bilden, dass im Regelkreis die Regelgröße – auch beim Auftreten von Störgrößen – der Führungsgröße so schnell und genau wie möglich nachgeführt wird.

Für

Regelkreis

linearer

die Betrachtung des Regelkreises wird vereinfacht eine Eingangsstörung

Bei

Regelung

spezielle Formen

einer Regelung kann trotz sorgfältigster Wahl der Einstellwerte der Fall eintreten, dass die gewünschten Gütekennwerte des Einschwingvorganges nicht erreicht werden. Die Ursache dafür liegt im Widerspruch zwischen der Kompliziertheit der gegebenen Regelstrecke und dem angestrebten Regelergebnis. So stellt sich z. B.

Der Einsatz leistungsfähiger Informations‐ und Kommunikationstechniken ist integraler Bestandteil moderner Unternehmensstrategien. Ausgehend von der elektronischen Datenverarbeitung hat sie sich zu einer leistungsstarken, modernen Informations‐ und Kommunikationstechnik entwickelt und ist zu einer Einflussgröße geworden, die das Innovations‐ und Leistungsprofil des Produktentstehungsprozesses nachhaltig prägt. Damit geht auch ein Wandel in den Geschäfts- und Arbeitsabläufen wie auch der Arbeitskultur einher.

Die zentrale Aufgabe der Informationstechnologie ist die Verarbeitung und Bereitstellung von Daten. Als Daten

Daten

werden im weitesten Sinne Informationen bezeichnet, die sich durch Zeichen in einem Code darstellen lassen, wobei sich der Begriff Daten auf Zahlen, Text oder auch physikalische Größen beziehen kann.

Der

virtuelle Produktentstehung

Produktentstehungsprozess ist Teil des Produktlebenszyklus

Produkt

-lebenszyklus

und umfasst die Produktlebensphasen Produktplanung, Produktentwicklung und Konstruktion, Arbeitsvorbereitung und Produktherstellung. Kennzeichnend für den Produktentstehungsprozess ist, dass es sich dabei insbesondere auch um einen informationsverarbeitenden Entscheidungsprozess handelt. Im Rahmen des Produktentstehungsprozesses werden sowohl das Produkt mit seinen Eigenschaften wie auch dessen Herstellung erdacht, konstruiert, geplant, berechnet, analysiert, simuliert und optimiert. In Bild 1 wird der Produktentstehungsprozess in den Produktlebenszyklus eingeordnet.

Die folgenden Webseiten enthalten, wie auch weitere nicht angeführte Webseiten, Informationen zu diesem Kapitel: