Handbuch Maschinenbau

In diesem Einführungskapitel werden Grundlagen sowie mathematische Symbole und Schreibweisen zusammengestellt. Es werden Mengen definiert, verschiedene Zahlenmengen beschrieben und das Rechnen mit komplexen Zahlen demonstriert. Außerdem werden Matrizen und Determinanten definiert und Rechenregeln formuliert.

Eine Funktion ist eine Zuordnung, die jeder Zahl einer gegebenen Zahlenmenge D eindeutig eine Zahl einer gegebenen Zahlenmenge W zuordnet. Es werden allgemeine Eigenschaften von Funktionen beschrieben sowie spezielle Funktionen näher untersucht.

Das Wort Trigonometrie kommt aus dem Griechischen und bedeutet Dreiecksmessung. Die Trigonometrie ist die Lehre von der Dreiecksberechnung mit Hilfe von Winkelfunktionen (trigonometrischen Funktionen). Es werden die trigonometrischen Funktionen und die Arkusfunktionen für beliebige Winkel definiert und wichtige Eigenschaften zusammengestellt.

Der Grundgedanke der Analytischen Geometrie besteht darin, dass geometrische Untersuchungen mit rechnerischen Mitteln geführt werden. Geometrische Objekte werden dabei durch Gleichungen beschrieben und mit algebraischen Methoden untersucht. In diesem Kapitel werden verschiedene Koordinatensysteme erläutert. Außerdem werden Geraden, Kreise, Kugeln und Kegelschnitte definiert und verschiedene Gleichungsformen genannt. Eine Einführung in die Vektorrechnung schließt das Kapitel ab.

Es werden Folgen und Reihen definiert und spezielle Eigenschaften charakterisiert. Anschließend werden stetige und differenzierbare Funktionen beschrieben, Differentiationsregeln aufgezählt und angewandt sowie eine Einführung in die Integralrechnung gegeben.

Eine Differentialgleichung ist eine Gleichung, in der unabhängige Variablen, Funktionen und Ableitungen von Funktionen vorkommen. In einer gewöhnlichen Differentialgleichung tritt nur eine unabhängige Variable auf. Es werden Lösungsverfahren für verschiedene Formen gewöhnlicher Differentialgleichungen hergeleitet und durch Beispiele vertieft.

Aufgabe der Physik ist es, die in ihrem Bereich auftretenden Naturvorgänge durch Beobachtungen und Versuche auf eindeutige Weise zu beschreiben, vorhandene Gesetzmäßigkeiten zu erfassen und – darauf aufbauend – neue Gesetze zu finden. Die naturwissenschaftlichen Gesetze werden mathematisch formuliert.

Chemie ist die Lehre von den Stoffen und Stoffänderungen. Durch chemische Reaktionen (Synthese) entstehen aus Ausgangsstoffen (Edukte) andere Stoffe (Produkte) mit neuen Eigenschaften.Chemische Elemente (Grundstoffe) bestehen aus gleichartigen Atomen und sind durch chemische Reaktionen nicht weiter zerlegbar; z. B. Wasserstoff, Sauerstoff, Eisen.Das Kapitel beleuchtet den Aufbau der Materie auf Basis des Periodensystems, die Verknüpfung von Werkstoffeigenschaften und chemischer Bindung; Typen chemischer Reaktionen; Wesen, Eigenschaften und Berechnung von Säuren, Basen und Fällungsreaktionen; die elektrochemischen Grundlagen zum Verständnis von Batterien und Elektrolyseuren, abschließend ein Einblick in die Vielfalt und Nomenklatur organisch-chemischer Verbindungen.

Die Kraft ist die Ursache einer Bewegungs- oder (und) Formänderung. Man arbeitet in der Statik mit dem Gedankenbild des „starren“ Körpers, schließt also die bei jedem realen Körper auftretende Formänderung aus der Betrachtung aus. Jede Kraft lässt sich durch den Vergleich mit der Gewichtskraft eines Wägestücks messen. Eindeutige Kennzeichnung einer Kraft F erfordert drei Bestimmungsstücke:Betrag der Kraft, z. B. $$\textit{F}=18$$  N; in bildlicher Darstellung festgelegt durch die Länge einer Strecke in bestimmtem Kräftemaßstab.Lage der Kraft; festgelegt durch ihre Wirklinie und den Angriffspunkt im Lageplan. Richtungssinn der Kraft; gekennzeichnet durch den Richtungspfeil.Kräfte sind Vektoren, d. h. gerichtete Größen, ebenso wie z. B. Geschwindigkeiten und Beschleunigungen, im Gegensatz zu den Skalaren, das sind nicht gerichtete Größen, wie Zeit, Temperatur, Masse und andere. Näheres zu Vektoren und Skalaren im Abschnitt Physik.Die Resultierende Fr zweier oder mehrerer Kräfte F1, F2, … ist diejenige gedachte Ersatzkraft, die dieselbe Wirkung auf den Körper ausübt wie alle Einzelkräfte F1, F2 … zusammen.Ein Kräftepaar besteht aus zwei gleich großen, parallelen, entgegengesetzt gerichteten Kräften F, deren Wirklinien einen Wirkabstand l voneinander haben ( $${\bot}$$ zu den Wirklinien gemessen.Es wirkt immer dann ein Kräftepaar, wenn sich ein starrer Körper dreht oder – ohne Bindungen – drehen würde (Welle, Handrad, Tretkurbel).

Zur Kennzeichnung des Bewegungsablaufs unterteilt man zeitlich (Bewegungszustand) in Ruhe, gleichförmige und ungleichförmige Bewegung; geometrisch (Bewegungsbahn) in geradlinige und krummlinige Bewegung (z. B. auf der Kreisbahn). Die ungleichförmige Bewegung heißt auch beschleunigte oder verzögerte Bewegung. Sie ist entweder gleichmäßig oder ungleichmäßig beschleunigt bzw. verzögert. Bewegungen der Punkte und Körper in der Technik sind Kombinationen von Bewegungszuständen und Bewegungsbahnen, z. B. geradlinig gleichförmige Bewegung (Vorschubbewegung an Werkzeugmaschinen), kreislinig gleichförmige Bewegung (an Dreh- und Bohrmaschine), geradlinig gleichmäßig beschleunigte Bewegung (freier Fall), kreislinig gleichmäßig beschleunigte Bewegung (An- und Auslauf der Spannfutter an Werkzeugmaschinen), geradlinig ungleichmäßig beschleunigte Bewegung (Stößel an der Stoßmaschine).

Die Festigkeitslehre ist ein Teil der Mechanik. Sie behandelt die Beanspruchungen, das sind die Spannungen und Formänderungen, die äußere Kräfte (Belastungen) in festen elastischen Körpern (Bauteilen) auslösen.Die mathematisch auswertbaren Erkenntnisse werden benutzt zur Ermittlung der Abmessungen der „gefährdeten“ Querschnitte von Bauteilen (Wellen, Achsen, Bolzen, Hebel, Schrauben usw.) für eine nicht zu überschreitende sogenannte zulässige Beanspruchung des Werkstoffs (Querschnittsnachweis) und zur Kontrolle der im gegebenen gefährdeten Querschnitt vorhandenen Beanspruchungen und Vergleich mit der zulässigen Beanspruchung (Spannungsnachweis). Dabei werden ausreichende Sicherheit gegen Bruch und zu große Formänderung, aber auch Wirtschaftlichkeit der Konstruktion erwartet.In der Konstruktion ist es vorteilhaft, die Abmessungen der Bauteile zunächst anzunehmen. Mit den Gesetzen der Festigkeitslehre werden dann die vorhandenen Spannungen und Formänderungen bestimmt und mit den zulässigen verglichen.Die Erkenntnisse der Festigkeitslehre bauen auf den Gesetzen der Statik auf und lassen sich nur im Zusammenhang mit den Erkenntnissen der Werkstofftechnik, Werkstoffkunde und (-prüfung) anwenden.In der Statik werden die von Bauteil zu Bauteil übertragenen inneren Kräfte (innere Kräfte im Sinn einer mehrteiligen Konstruktion) durch „Freimachen“ des betrachteten Bauteils zu äußeren Kräften gemacht und dann mit Hilfe der Gleichgewichtsbedingungen die noch unbekannten Kräfte und Kraftmomente bestimmt.

Ruhende oder sehr langsam bewegte Flüssigkeiten und Gase können im Gegensatz zu festen Körpern nur Normalkräfte übertragen, keine Schubkräfte. Sie nehmen ohne Widerstand jede äußere Form an. Flüssigkeiten zeigen außerdem im Gegensatz zu Gasen einen großen Widerstand gegen Volumenänderung; sie lassen sich erst bei hohen Drücken geringfügig zusammendrücken. Wird die Flüssigkeit wieder entlastet, nimmt sie ihr ursprüngliches Volumen wieder an (Volumenelastizität). Die leichte Zusammendrückbarkeit der Gase kann bei Strömungsgeschwindigkeiten bis zu etwa $$1/3$$ 1 / 3 Schallgeschwindigkeit vernachlässigt werden. Sie werden deshalb in der praktischen Strömungslehre wie Flüssigkeiten behandelt.

Alle Produkte der Technik – von Dienstleistungen abgesehen – bestehen aus Werkstoffen:Das Produkt muss mit seinen gewählten Werkstoffen die Anforderungen des Erwerbers oder Benutzers erfüllen:– zuverlässige Funktion über die Lebensdauer (Leistung, Traglasten, Geschwindigkeiten),– niedrige Betriebskosten (Schmierung, Korrosionsschutz, Wartung) oder– Regenerationsmöglichkeit bei großen Teilen.

Die technisch wichtigen Metalle haben Kristallgitter mit hoher Regelmäßigkeit und dichter Packung (kubisch, hexagonal). Nur Zinn ist tetragonal. Neben der dichten Packung der Atome in Schichten ist die Metallbindung die Voraussetzung für die beiden wichtigen Metalleigenschaften:– Elektrische Leitfähigkeit durch freie Elektronen im Kristallgitter,– Plastische Verformbarkeit durch Platzwechsel der Metallionen im Gitter, wobei die freien Elektronen die metallische Bindung aufrecht erhalten.

Stahl ist schmiedbares Eisen, das deswegen unlegiert einen C-Gehalt von 1,7% nicht übersteigen darf und geringste Gehalte an P, S, O, und N besitzen muss. Für die Erzeugung haben sich zwei Erzeugungslinien durchgesetzt.Das Endprodukt ist ein Rohstahl. Er enthält Nichtmetalle, die bei der Erzeugung durch Erze, Koks und Zuschlagstoffe in Roheisen und Stahl gelangen, unterschiedliche Wirkung auf die Eigenschaften haben und im Gehalt begrenzt werden müssen. Stahlnormen enthalten Grenzwerte dieser Stoffe.

Geringere Vorkommen an z. T. armen Erzen und dadurch aufwändige Verhüttung führen gegenüber Stahl zu höheren Preisen für NE-Metalle. Ihr Einsatz ist notwendig, wenn besondere Eigenschaften gefordert werden, die Stähle nicht erbringen.

Polymere bestehen aus Riesen- oder Makromolekülen, die durch chemische Reaktionen aus einfachen, niedermolekularen Verbindungen entstehen, den Monomeren. Ausgangsstoffe sind überwiegend Kohlenwasserstoffe (KW), die größte Gruppe der C-Verbindungen. Sie müssen reaktionsfähige Stellen besitzen, das sind OH-Gruppen oder Doppelbindungen.Eine Ausnahme bilden die Silikone, bei denen das Silicium Si (gleiche Gruppe PSE wie C, gleiche Außenelektronen) zur Kettenbildung fähig ist.Das C-Atom kann 4 Elektronenpaarbindungen mit anderen Atomen eingehen, aber auch die C-Atome unter sich. Die Bindungs„arme“ sind tetraedrisch angeordnet, sodass Kettenmoleküle nicht gestreckt, sondern geknickt vorliegen (Knäuelstruktur). Die Bindungen sind biege- und drehelastisch, Voraussetzung für eine plastische Verformung in der Wärme. Dabei erfolgt eine Streckung mit evtl. Orientierung der Ketten. Durch das Rückstellvermögen der Tetraederbindung entsteht Verzug beim Wiedererwärmen gespritzter Teile, die schnell abgekühlt werden (Einfrieren der gestreckten Molekülform). Anwendung z. B. bei Schrumpffolien.

Pulvermetallurgie (PM) befasst sich mit der Herstellung von Metallpulvern und Bauteilen daraus. PM gehört damit zum Fertigungsbereich Urformen. Die Begriffe sind nach DIN EN ISO 3252/01 genormt. Im Unterschied zum Gießen ist der Materiezustand beim Formen fest (evtl. teilflüssig beim Sintern mit flüssiger Phase). Deshalb sind PM-Teile i. A. porös. Die Porosität ist vom Pressverlauf abhängig, beginnt mit 30% und kann durch Sinterschmieden oder Tränken auf null gebracht werden. Mit der Dichte steigen Festigkeit und Zähigkeit.

Die Beanspruchung der Oberfläche durch Korrosion und Verschleiß führen zu Materialverlust, der Störungen der Bauteilfunktion verursacht und zu hohen Kosten und Folgekosten durch Ausfall führen kann. Abhilfe wird durch Werkstoffwahl oder Oberflächenschutzschichten erreicht.

Schwerpunkt des Abschnittes sind die Prüfverfahren, welche Eigenschaftskennwerte liefern, die für die Beurteilung von Werkstoffen wichtig sind. Dazu gehören auch einige Versuche über die Eignung für bestimmte Fertigungsverfahren. Wichtige Aufgaben der Werkstoffprüfung sind außerdem:– Fehlersuche an Vormaterial und Fertigteilen (Qualitätssicherung) durch zerstörungsfreie Prüfungen,– Überwachung der Wärmebehandlung und deren Einfluss auf das Gefüge,– Bestimmung unbekannter Werkstoffe, Trennung von vertauschtem Material.

Für thermodynamische Untersuchungen werden häufig die thermischen Zustandsgrößen Druck p, Volumen V und Temperatur ϑ bzw. T benötigt. Neben der Celsius-Temperatur ϑ wird die absolute Temperatur T (auch thermodynamische Temperatur oder Kelvin-Temperatur genannt) genutzt. Die Verwendung der Einheiten des internationalen Einheitensystems wird behandelt. Der physikalische Normzustand wird erläutert; als Mengengrößen werden die Masse m, die Stoffmenge (Molmenge) n und das Normvolumen Vn vorgestellt. Neben der Dichte ρ und der Normdichte ρn werden das spezifische Volumen v, das molare Volumen Vm, die molare Masse (Molmasse) M und das molaren Normvolumen Vmn eingeführt. Für kalorische Rechnungen (z. B. bei Zustandsänderungen mit Wärme und Dissipationsarbeit) wird die - in der Regel temperaturabhängige - spezifische Wärmekapazität c verwendet; deren Mittelwertbildung wird vorgestellt. Bei idealen Gasen ist die spezifische isobare Wärmekapazität cp und die spezifische isobare Wärmekapazität cv zu unterscheiden, deren Differenz gleich der speziellen Gaskonstant Ri ist und deren Verhältnis den Isentropenexponenten κ ergibt. Die temperaturabhängige Ausdehnung von festen Körpern, Flüssigkeiten und Gasen wird beschrieben. Auf die drei Aggregatzustände (Phasen) fest, flüssig und gasförmig wird eingegangen; auf die Phasenübergänge Schmelzen bzw. Erstarren sowie Sieden bzw. Verflüssigen wird aufmerksam gemacht.

Als thermodynamische Systeme werden das geschlossene System, das offene System, das abgeschlossene System und das adiabate System eingeführt. Als Formen der Energie werden die Zustandsgröße innere Energie U, die Prozessgrößen Wärme Q, Volumenänderungsarbeit WV und technische Arbeit (Druckänderungsarbeit) Wp sowie die Zustandsgrößen Verschiebearbeit pV und Enthalpie H behandelt und zusätzlich deren Verwendung in Form von spezifischen Größen erläutert; auch wird auf die Dissipationsenergie Wd eingegangen. Der Erste Hauptsatz als Erfahrungssatz (Axiom) zur Bilanzierung von Energien bei Zustandsänderungen wird vorgestellt. Auf Kreisprozesse und deren jeweiligen thermischen Wirkungsgrad ηth wird kurz eingegangen. Der Zweite Hauptsatz zur Erfassung nicht umkehrbarer (irreversibler) Vorgänge wird erläutert. Auf die Zustandsgröße Entropie S, die als Maß für die Unordnung eines Systems gedeutet werden kann, wird eingegangen. Die Berechnung von Entropieänderungen bei Zustandsänderungen zur Erfassung des Ausmaßes von Irreversibilitäten wird erläutert. Der Exergiebegriff wird vorgestellt.

Die thermische Zustandsgleichung idealer Gase pV = mRiT wird hergeleitet. Die Zustandsdiagramme p,v-Diagramm und T,s-Diagramm zur Wiedergabe von Stoffeigenschaften und zur graphischen Beschreibung von Zustandsänderungen werden vorgestellt. Als wichtige spezielle Zustandsänderungen werden die isochore Zustandsänderung (V = const), die isobare Zustandsänderung (p = const.), die isotherme Zustandsänderung (T = const.) und die isentrope Zustandsänderung (S = const.) behandelt und die hierfür gültigen Berechnungsgleichungen vorgestellt. Zusätzlich wird als allgemeine Zustandsänderung, in der auch die jeweiligen speziellen Zustandsänderungen enthalten sind, die polytrope Zustandsänderung behandelt; die hierbei gültigen Berechnungsgleichungen werden vorgestellt. Als ideale Vergleichsprozesse werden der Carnot-Prozess und der Diesel-Prozess behandelt. Das T,s-Diagramm für Wasser und Wasserdampf wird behandelt und für die Berechnung des idealen Dampfkraftprozesses (Clausius-Rankine-Prozesses) genutzt. Zusätzlich wird das lg p,h-Diagramm für das Kältemittel R 134a vorgestellt und für die Berechnung des Kompressions-Kaltdampfprozesses genutzt. Auf die Drosselung von Gasen (Thomson-Joule-Effekt) und auf die Bedeutung der Drosselung von realen Gasen für Kälteprozesse wird hingewiesen. Gleichungen für Mischungen idealer Gase werden vorgestellt.

Die Wärmeleitung, der Wärmeübergang und der Wärmedurchgang werden beschrieben. Als Kenngrößen werden die Wärmeleitfähigkeit λ, der Wärmeübergangskoeffizient α und der Wärmedurchgangskoeffizient k benannt sowie geeignete Berechnungsgleichungen für die Wärmeleitung, den Wärmeübergang und den Wärmedurchgang angegeben. Weiter wird auf die Wärmestrahlung eingegangen; das Gesetz von Stefan und Boltzmann für die Wärmestrahlung des idealen schwarzen Körpers sowie dessen Modifikation für die Wärmestrahlung eines wirklichen Körpers werden erläutert.

Die Zusammensetzung von Brennstoffen, deren Hauptbestandteile häufig Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff sind, wird grundsätzlich erläutert. Für die Verbrennung gasförmiger Brennstoffe werden chemische Reaktionsgleichungen benannt und hieraus Berechnungsgleichungen angegeben, die auf das Normvolumen des Brenngases bezogen werden: Berechnungsgleichungen für den normvolumenbezogenen Sauerstoffbedarf, den normvolumenbezogenen Luftbedarf, die normvolumenbezogene feuchte Verbrennungsgasmenge und die normvolumenbezogene trockene Verbrennungsgasmenge. Für die Verbrennung fester und flüssiger Brennstoffe werden chemische Reaktionsgleichungen benannt und hieraus Berechnungsgleichungen angegeben, die auf die Masse des Brennstoffs bezogen werden: Berechnungsgleichungen für den massebezogenen Sauerstoffbedarf, den massebezogenen Luftbedarf, die massebezogene feuchte Verbrennungsgasmenge und die massebezogene trockene Verbrennungsgasmenge. Für die Ermittlung der Zusammensetzung des Verbrennungsgases bei vollständiger sowie bei unvollständiger Verbrennung werden als graphische Hilfsmittel das Bunte-Dreieck und das Ostwald-Dreieck vorgestellt; weiter werden exakte Gleichungen sowie Näherungsgleichungen für die Bestimmung des Luftverhältnisses λ für gasförmige Brennstoffe sowie für feste und flüssige Brennstoffe angegeben. Auch werden Hinweise auf technische Gesichtspunkte der Verbrennung wie z. B. den Taupunkt von Verbrennungsgasen sowie den Schornsteinzug gegeben. Daneben werden die Begriffe Brennwert und Heizwert erläutert sowie Gleichungen für deren Berechnung genannt.

In Kapitel Einführung und Grundlagen werden zunächst einige zum Verständnis notwendige physikalische Grundlagen dargestellt. Die für die Elektrotechnik wichtigen Effekte und Größen werden vorgestellt, die elektrischen Kräfte und Stromarten erwähnt. Die Grundgleichung der elektrischen Arbeit und Leistung sowie die des Wirkungsgrades und der Energie werden erläutert. Den Abschluss des Kapitels bilden einige Details zu Stromkreisen.

Das Kapitel Anwendungen beginnt mit der Vorstellung der Bauelemente. Das sind diejenigen Bestandteile einer elektrischen Anlage, welche die physikalischen Phänomene realisieren. Den Schwerpunkt des Kapitels bilden die unterschiedlichen Motoren. Motoren stellen neben den ruhenden Maschinen wie Transformator, Umrichter und Schaltnetzteil eine der wichtigsten elektrischen Maschinen dar. Sie gehören neben den Hubmagneten zu den beweglichen Maschinen. Maschinen in diesem Sinne sind technische Gebilde mit dem Hauptumsatz Energie. In den weiteren Teilen werden weitere in der Maschinenbautechnik eingesetzte Autoren, Grundlagen der Leistungselektronik und der Antriebstechnik vorgestellt. Das Kapitel schließt mit einer Darstellung über die Verteilung elektrischer Energie.

Der Verband Deutscher Elektrotechniker (VDE) hat eine Reihe von Vorschriften ausgearbeitet, die dem Schutz von Leben und Sachen beim Umgang mit elektrischer Energie dienen. Besonders wichtig sind die in den VDE-Bestimmungen 0100 (Einrichtung von Niederspannungsanlagen) und 0411 (Sicherheitsbestimmungen für elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte) festgelegten Vorschriften. Die Kenntnis dieser Vorschriften - zumindest in ihren Grundlagen - ist für Maschinenbauer unabdingbar. Dieses Kapitel erläutert kurz die wichtigsten.

In diesem Kapitel wird der Begriff Mechatronik definiert und herausgearbeitet, wodurch sich dieses Fachgebiet der Ingenieurwissenschaften von den traditionellen Fachgebieten Maschinenbau, Elektrotechnik und Informatik unterscheidet. Weiterhin werden die wichtigsten Begriffe der Mechatronik erläutert und an einzelnen Beispielen die typische mechatronische Denkweise verdeutlicht und deren Vorgehensweise gegenüber den traditionellen Ingenieurdisziplinen abgegrenzt. Solche Beispiele sind das Anti-Blockiersystem (ABS), der Airbag, die Geräuschminderung durch destruktive Interferenz und die „Mechatronische Mausefalle“.

Modelle dienen zur Beschreibung der Eigenschaften und der Struktur eines Systems. Sie sind nie ein absolut vollständiges Abbild eines Systems. Je nachdem, welchen Zweck man mit der Modellbildung verfolgt, gibt es verschiedenartige Modelle mit unterschiedlichen Eigenschaften. Dieses Kapitel erläutert die unterschiedlichen Modelle und ihre wesentlichen Eigenschaften. Dabei wird für einfache Beispiele wie den Einmassenschwinger, das Pendel, den elektrische Schwingkreis oder auch ein vereinfachtes Kraftfahrzeug der Modellbildungsprozess durchgeführt und in diesem Zusammenhang auftretende Probleme werden aufgezeigt und erläutert.Weiterhin werden die wichtigsten computergestützten Handwerkszeuge für die Modellbildung und die Simulation von Systemen anhand ihrer Modelle vorgestellt und erläutert.

Ein mechatronisches System benötigt Informationen, die seinen inneren Zustand beschreiben. Außerdem muss es weitere Informationen aus seiner Umwelt erfassen können. Für alle diese Aufgaben benötigt man Sensoren. Für die Erzeugung von Bewegungen, oder das Aufbringen von Kräften und Momenten, werden in mechatronischen Systemen Antriebe (Aktoren oder Aktuatoren) benötigt.Das vorliegende Kapitel erläutert die Begriffe Sensor und Aktor. Weiterhin werden die verschiedensten physikalischen Messeffekte dargestellt, die in Sensoren für die Informationserfassung eingesetzt werden und typische Messverfahren und ihr Einsatz in Sensoren erläutert.Bei den Aktoren wird zwischen „klassischen“ Aktoren wie Elektromotoren und Hydraulikzylindern unterschieden und Aktoren, die auf neuartigen Wirkprinzipien wie dem reziproken piezoelektrischen Effekt, dem Formgedächtnis von Legierungen oder dem Dehnstoffverhalten beruhen. Der Schwerpunkt liegt hier bei diesen „neuartigen“ Aktoren.

In den vorausgegangenen Kapiteln sind die einzelnen erforderlichen Arbeitsschritte zur Entwicklung des mathematischen Modells eines mechatronischen Systems und dessen Simulation behandelt worden. Anhand des Modells kann eine Regelung entwickelt und ebenfalls durch Simulation optimiert werden. Danach kann man die erforderliche Hard- und Software für eine technische Realisierung konzipieren und festlegen.

Im konstruktiven Entwicklungsprozess ist das methodische Vorgehen unabdingbar. Die Anforderungen an ein Produkt erwachsen aus der Funktionalität sowie allen Wechselwirkungen innerhalb des Produktlebenszyklus. Einleitend erfolgt daher die Einordnung der Produktkonstruktion in den Produktlebenszyklus. Dem schließt sich ausgehend von allgemeinen Begriffserläuterungen die Vorstellung von Methoden zur Ideenfindung sowie zur Bewertung nach der VDI-Richtlinie 2225 an. Da die Beachtung und die Einreichung von Schutzrechten gleichfalls zur Tätigkeit eines Konstrukteurs gehören, wird hierauf in einem weiteren Abschnitt eingegangen. Die Vorgehensweise in den einzelnen Phasen des Entwicklungs- und Konstruktionsprozesses werden anhand der VDI-Richtlinie 2221 erläutert sowie anschließend beispielhaft für ein Ausgleichsgetriebe vorgestellt. Den Abschluss des Kapitels bilden Gestaltungshinweise, die bei der Konstruktion zu berücksichtigen sind.

Vor allem wegen der Kosten ist es sinnvoll, sich beim Festlegen von Maßen aller Art auf Vorzugszahlen zu beschränken (Baugrößen, Drehzahlen, Drehmomente, Leistungen, Drücke usw.). Man verwendet dazu eine geometrisch gestufte Zahlenfolge, die zeigt, dass bei der geometrischen Stufung die Werte im unteren Bereich fein, im oberen grob gestuft sind. Das ist nicht nur technisch sinnvoll.Bei den Normzahlen (DIN 323-1) sind die Dezimalbereiche nach vier Grundreihen geometrisch gestuft. Der Stufensprung q ist das konstante Verhältnis einer Normzahl zur vorhergehenden. Der Buchstabe R weist auf Renard hin, der die Normzahlen entwickelt hat.

Unter Kleben versteht man das Verbinden von Teilen aus gleichen oder verschiedenartigen Werkstoffen mit nichtmetallischen Klebstoffen. Normalerweise entsteht eine Klebverbindung bei Raumtemperatur ohne Druckeinwirkung. Die Verarbeitung einiger Klebstoffe setzt jedoch auch höhere Drücke und Temperaturen bis ca. 150 °C voraus.Die Festigkeit einer Klebverbindung wird durch die Haftung eines Klebstoffs an der Werkstückoberfläche (Adhäsion) und seine Bindekräfte zwischen den Klebstoffmolekülen (Kohäsion) bestimmt.Durch Entwicklung von Klebern hoher Bindefestigkeit wird das Kleben als Verbindungsart auch metallischer Bauteile im zunehmenden Maß verwendet, insbesondere im Leichtmetallbau, im Flugzeugbau für Tragflächen, Rumpfblechversteifungen, Tür- und Fensterrahmen, in der Elektrotechnik für magnetische Spannplatten, Transformatoren- und Statorbleche, Geräte und Apparate, im Kraftfahrzeugbau für Reibbeläge bei Kupplungen und Bremsen, ferner in der Kunststoffindustrie, bei Spiel-, Leder- und Verpackungswaren und im Bauwesen für Wand- und Fußbodenplatten.Vorteile gegenüber anderen Verbindungselementen: Verbinden verschiedenartigster Werkstoffe; keine Werkstoffbeeinflussung; keine Schwächung der Bauteile durch Niet- oder Schraubenbohrungen.Nachteile Geringere spezifische Festigkeit gegenüber Schweißen oder Nieten; geringe Schälfestigkeit; Stumpfstöße kaum möglich; teilweise längere Aushärtungszeiten erforderlich.

Nietverbindungen sind unlösbare Verbindungen von Bauteilen aus beliebigen Werkstoffen. Je nach Verwendungsart unterscheidet man: feste Verbindungen (Stahlbau), feste und dichte Verbindungen (Kesselbau) und dichte Verbindungen (Behälterbau). Außer im Leichtmetallbau werden heute Nietverbindungen häufig durch Schweißverbindungen ersetzt.Die Niete schrumpfen in Längs- und Querrichtung, es entstehen Zug- und Schubspannungen im Niet. Die Längskraft presst die Bauteile zusammen. Der bei Betriebsbelastung in den Berührungsflächen der Bauteile entstehende Reibungswiderstand verhindert das Verschieben der Bauteile gegeneinander. Durch die Querschrumpfung steht der Niet berührungsfrei in der Nietbohrung, solange die äußeren Querkräfte kleiner sind als der Reibungswiderstand. Werden die Querkräfte größer als der Reibungswiderstand, liegt der Nietschaft an der Bohrungswand an (Setzen der Verbindung) und es treten Zug- und Schubspannungen auf. Die nach dem Schrumpfen im Niet auftretende Zugspannung ist rechnerisch nicht zu erfassen, daher werden Nietverbindungen mit stark verminderter zulässiger Spannung auf Abscheren berechnet.

Schrauben werden nach ihrem Verwendungszweck eingeteilt in Befestigungsschrauben für lösbare Verbindungen von Bauteilen, Bewegungsschrauben zur Umwandlung von Drehbewegungen in Längsbewegungen, Dichtungsschrauben für Ein- und Auslauföffnungen z. B. bei Ölwannen, Einstellschrauben, Spannschrauben.Die Gewinde werden durch ihr Profil (Dreieck, Trapez), die Steigung, Gangzahl (ein- oder mehrgängig) und den Windungssinn (rechts- oder linkssteigend) bestimmt.Metrisches ISO-Gewinde, DIN 13 Blatt 1; Gewindedurchmesser von 1 mm bis 68 mm; Anwendungen für Befestigungsschrauben und Muttern aller Art.Metrisches ISO-Feingewinde, DIN 13. Blätter 2 bis 12; Gewindedurchmesser von 1 mm bis 300 mm; Anwendung als Befestigungsgewinde, als Dichtungsgewinde, für Mess- und Einstellschrauben.Metrisches ISO-Trapezgewinde, DIN 103; Gewindedurchmesser von 8 mm bis 300 mm; Anwendung als Bewegungsgewinde bei Spindeln an Drehmaschinen, Schraubstöcken, Ventilen, Pressen.Rundgewinde, DIN 405; Anwendung als Bewegungsgewinde bei rauem Betrieb, z. B. Kupplungsspindeln.Metrisches Sägengewinde, DIN 513: Anwendung als Bewegungsgewinde bei hohen einseitigen Belastungen, z. B. bei Hubspindeln.

Bolzen und Stifte dienen der gelenkigen oder festen Verbindung von Bauteilen, der Lagesicherung, Zentrierung, Führung usw. Bei losen Verbindungen müssen die Bolzen, Stifte oder Bauteile gegen Verschieben gesichert werden, z. B. durch Stellringe, Splinte und Querstifte. Formen und Abmessungen dieser Verbindungselemente sind weitgehend genormt.

Mit Federn werden elastische Verbindungen hergestellt. Sie verformen sich unter Einwirkung äußerer Kräfte, speichern dabei Energie und geben diese bei Entlastung durch Rückfederung wieder ab. Anwendungen als Arbeitsspeicher, zur Stoß- und Schwingungsdämpfung, als Rückholfedern, zur Kraftmessung und als Spannelemente. Nach ihrer Gestalt unterscheidet man Blatt-, Schrauben-, Teller-, Stab-, Spiral-, Ring-, Hülsen- und Scheibenfedern, nach der Beanspruchungsart wird in Zug-, Druck-, Biege- und Drehfedern unterteilt.

Achsen dienen zum Tragen und Lagern von Laufrädern, Seilrollen, Hebeln usw. und werden hauptsächlich auf Biegung beansprucht. Sie übertragen kein Drehmoment. Feststehende Achsen werden nur ruhend oder schwellend auf Biegung beansprucht. Sie sind festigkeitsmäßig günstiger als umlaufende Achsen, bei denen die Biegung wechselnd auftritt. Wellen laufen ausschließlich um. Sie übertragen über Riemenscheiben, Zahnräder, Kupplungen usw. Drehmomente,werden also auf Verdrehung und meist zusätzlich auf Biegung beansprucht. Zapfen sind die zum Tragen und Lagern, meist abgesetzten Achsen- und Wellenenden oder auch Einzelelemente (Spurzapfen, Kurbelzapfen).

Die Hauptaufgabe einer Welle ist das Weiterleiten von Drehmomenten. Das geschieht über aufgesetzte Maschinenelemente wie Zahnräder, Riemenscheiben, Kupplungsscheiben, Hebel aller Art und andere Bauteile. Das Verbindungssystem zwischen derWelle und dem angeschlossenen Maschinenelement zur Weiterleitung des Drehmoments heißt Nabenverbindung. Die Nabe ist der Teil des Zahnrads, der Scheibe oder des Hebels, der die Drehmomentenübernahmevon der Welle zu gewährleisten hat. Technische Bauteile können Kräfte und Drehmomente durch den Reibungseffekt zwischen festen Körpern, durch dasIneinandergreifen der beteiligten Bauteile oder durch einen verbindenden Stoff erhalten (Klebstoffe aller Art). Werden die Klebverbindungen außer Acht gelassen, kann man die Vielzahl der inzwischen gängigen Elemente zum Verbinden von Welle und Nabe in zwei Gruppen einteilen.

Hauptaufgabe der Kupplungen ist das Weiterleiten von Rotationsleistung. Als Zusatzaufgabe kann das Schalten des Drehmoments M hinzukommen oder die Verbesserung bestimmter dynamischer Eigenschaften. Entsprechend unterteilt man die Kupplungen in:– Feste Kupplungen (drehstarre Kupplungen) Feste Kupplungen dienen der starren, fluchtenden Verbindung von Wellen und anderen Getriebeelementen.– Bewegliche Kupplungen (drehelastische Kupplungen) Bewegliche Kupplungen verbinden die Elemente elastisch oder unelastisch, können Fluchtfehler ausgleichen und stoß- und schwingungsdämpfend wirken.– Schaltkupplungen Schaltkupplungen ermöglichen durch Unterbrechung und Wiederherstellung der Verbindung das Schalten des Drehmoments.– Sicherheitskupplungen Sicherheitskupplungen unterbrechen die Verbindung bei Überlastung.– Anlaufkupplungen Anlaufkupplungen werden bei schwer anlaufenden Maschinen eingesetzt.– Freilauf- und Überholkupplungen Freilauf- und Überholkupplungen verbinden die Elemente nur bei Gleichlauf und lösen die Verbindung, wenn das antreibende Element langsamer als das getriebene umläuft.– Steuerbare Kupplungen Steuerbare Kupplungen ermöglichen Drehmoment- und Drehzahländerungen während des Betriebs.

Man unterscheidet nach Art der Bewegungsverhältnisse Gleitlager, bei denen eine Gleitbewegung zwischen Lager und gelagertem Teil stattfindet und Wälzlager, bei denen die Bewegung durch Wälzkörper übertragen wird. Nach der Richtung der Lagerkraft unterteilt man in Radiallager (Querlager) und Axiallager (Längslager).

Zahnräder dienen der unmittelbaren formschlüssigen Übertragung von Drehmomenten und Drehbewegungen zwischen parallelen, sich kreuzenden oder sich schneidenden Wellen.Je nach dem Verlauf der Zahnflanken unterscheidet man Geradzähne, Schrägzähne, Pfeilzähne, Kreisbogenzähne, Spiralzähne und Evolventenzähne.

Die Gebiete ″Fördertechnik″ und ″Intralogistik″ werden definiert und abgegrenzt. Bezüglich der Fördertechnik werden die Anwendungsgebiete und die wichtigen Begriffe und Methoden erklärt (z.B. Komponenten-Anlagen -Systeme). Die Methoden der Baukastensystematik, der Standardisierung und der Baureihenbildung werden erläutert.Ausführlich behandelt werden die Bauelemente der Fördertechnik und deren Dimensionierung (z.B. Drahtseile und Seiltriebe, Ketten und Kettentrommeln), und Lastaufnahmeeinrichtungen (z.B. Lasthaken, Schüttgutgreifer und deren Berechnung, und Container aller Art).Zur Intralogistik wird für Maschinenbauer eine Einführung gegeben. Die über die Fördertechnik hinausgehenden Ziele (z.B. Material und Informationen und Energie″ in time″ bereitzustellen), und die Mittel dazu, (z.B. Organisation, Digitalisierung, Vernetzung) werden beschrieben. Wichtige logistische Fachausdrücke (z.B. Supply Chain, Simulation, cyberphysische Systeme, Digitaler Schatten) werden verständlich erklärt.

Die in der Fördertechnik gebräuchlichen Antriebe und die zugehörigen Steuerungen, Bremsen und Rücklaufsperren werden beschrieben.Behandelt werden elektrische, pneumatische und hydrostatische und hybride Antriebe. Auch auf Verbrennungsmotoren und Dampfmaschinen wird kurz eingegangen. Die bevorzugten Einsatzgebiete für jede Antriebsart werden aufgezeigt.Ablaufsteuerungen, Mikroprozessorsteuerungen und AS-, HMI- und Sicherheitssysteme werden erklärt, und deren Einsatzgebiete werden aufgezeigt.Die in der Fördertechnik wichtigen Bremsen werden beschrieben, als da sind: Trommelbremsen, Scheibenbremsen, Bandbremsen. Die normgerechte Auslegung dieser Bremsen wird an Hand von Beispielen erläutert. Rücklaufsperren in Klemmkörper- und Rollenausführung werden beschrieben, und deren Einsatzgebiete werden erläutert.

Heben und Bewegen von Lasten sind Grundfunktionen der Fördertechnik. So werden Elektroseilzüge und Windwerke beschrieben. Die Anwendung von Baukastenprinzip, Reihenbildung und Standardisierung sowohl bei der Konstruktion als auch bei der Auswahl dieser Erzeugnisse im Anlagenbau werden beschrieben. Aber auch für Handhebezeuge und Forstseilwinden werden deren spezifische Eigenschaften und Einsatzzwecke beschrieben.Die Vielfalt von Kranbauformen, (z.B. Laufkrane, Hängekrane, Portalkrane) werden behandelt. Die Berechnung von Kranen und deren Tragwerken an Hand der einschlägigen Normen und Vorschriften wird aufgezeigt. Insbesondere wird auf die verschiedenen zu berechnenden Betriebszustände eingegangen (z.b. Normalbetrieb, oder Ruhezustand bei Sturm, Schnee und Wind).An Fördersysteme mit Kranen werden u.a. Hängebahnanlagen mit Verzweigungen, Hochregallager mit Regalförderzeugen und ″shuttle-Lager″ angesprochen. Ein eigenes Kapitel ist den Mobilkranen gewidmet

Dieses Kapitel behandelt Flurförderzeuge und Stetigförderer für Stückgut.Flurförderer, von einfachen Gabelstaplern bis zu fahrerlosen Transportsystemen, werden beschrieben. Bei letzteren wird auf die verschiedenen Spurführungssysteme, von der optischen Spurführung bis zur Satellitennavigation für Flurförderer eingegangen. Deren Eignung für spezifische Einsatzfälle wird dargestellt.Bei den Stetigförderern werden Rollen- und Rutschförderer, Wandertische, Kreisförderer u.a.m. bis hin zu Hochgeschwindigkeitsförderern für längere Förderstrecken beschrieben. Direkte und indirekte Zielsteuerungen und direkte und indirekte Codierung werden erklärt.

Stationäre Schüttgutförderer sind an erster Stelle Gurtförderanlagen. die bis zu 100 km lang sein können. Deren konstruktiver Aufbau, die Berechnung und Auslegung und die Einsatzbereiche werden beschrieben. In gleicher Weise wird auf Gliederbandförderer, Kratzförderer und Schwingrinnen eingegangen, die hauptsächlich in der verfahrenstechnischen Industrie Verwendung finden.Bezüglich pneumatischer Förderanlagen werden die strömungsphysikalischen Grundlagen sowie die verschiedenen Anlagenausführungen und deren Komponenten beschrieben und an Hand einiger Anwendungsbeispiele erläutert.Auf Schaufelradlader, Verladeanlagen und Hafenkrane und deren Anwendungsbereiche wird ergänzend eingegangen.

Schon ein Schubkarren zeigt die typischen Merkmale eines mobilen Schüttgutförderers (Fachbegriff „Unstetigförderer für Schüttgut“): Ein Arbeitsspiel besteht aus Beladen – Transportieren – Entladen – Rückfahrt. Ein Unstetigförderer wird an der Ladestelle beladen oder er nimmt hier seine Last selbst auf, er fährt zur Abladestelle, wird dort entladen, und fährt leer wieder zurück. Hier sollen nur Schüttgutförderer für den innerbetrieblichen Massenguttransport im Tagebau und an Großbaustellen angesprochen werden. Beim Stichwort Massenguttransport denkt man erst einmal an die stationären Schüttgutförderer, und hier besonders an die Förderbandanlagen im Braunkohlentagebau oder bei Massengutumschlagsanlagen. Wenn aber entweder der Beladeort oder der Entladeort zu oft wechseln, oder sich durch den Abbau ständig verändern, dann müssen mobile Schüttgutförderer eingesetzt werden. Man denkt hier an den Erztagebau, bei welchem Gestein gebrochen und abtransportiert werden muss, oder an den Autobahnbau, wo ganze Hügel abgetragen und Senken aufgefüllt werden müssen. Folgerichtig sind diese mobilen Schüttgutförderer auch unter der EN ISO 6165:2013-02 (D) – Erdbaumaschinen subsumiert. Je nach Transportentfernung unterscheidet man hier Radlader („Load & Carry“) und Muldenkipper, und bei letzteren wiederum Schwer-Lkw und Dumper.

Der im Dampferzeuger unter Druck stehende Dampf besitzt potentielle Energie. Dieser Dampf strömt unter Druckminderung, durch düsenförmige Leiteinrichtungen, wobei die potentielle Energie des Dampfes in kinetische Energie umgesetzt wird.

Gestaut wird durchWehr oder Staumauer, wodurch nutzbarer Höhenunterschied der Energielage desWassers entsteht. Diese Höhendifferenz wirkt als Wasserdruckgefälle in der Turbinenanlage.

Windturbinenanlagen nutzen die kinetische Energie des Windes zur Stromerzeugung. Die Windgeschwindigkeiten liegen im Grenzschichtbereich der ebenen Strömung, die bei Höhen von 100 m bis 1000 m liegen und in Großstädten mit Skylines bis 2000 m. Die größten Windturbinentürme erreichen gegenwärtig Nabenhöhen von 160 m und Windraddurchmesser von 130 m, d. h. mit Flügellängen von 65 m. Die Windturbinen werden vorrangig mit 3 Schaufeln ausgeführt. Die Drehzahl von Windturbinen für Leistungen von 2 MW betragen 12 bis 20 min-1. Um die Windturbinen bei starkem Wind von > 25 m/s zu schützen, werden die Laufschaufeln durch Pitch- oder Stall-Anlagen aus dem Wind gedreht, sodass die Strömung an den Schaufeln abreißt und das Windrad in die Ruhestellung gelangt. Bei der Windgeschwindigkeit 25 m/s bis 34 m/s wird der Windrotor abgeschaltet. Die zulässige Maximalgeschwindigkeit liegt aus Festigkeitsgründen etwa bei 80 m/s. Die aktive Blattverdrehung (Pitchregelung) stellt eine Blattwinkelregelung dar, wobei die Profilnase in die Anströmung gedreht wird. Sie benötigen für die Drehzahlreduzierung keine mechanische Bremse.

Pumpen werden in verschiedenen Bauarten zur Förderung von Wasser, von Flüssigkeiten verschiedener Art wie z. B. Säuren, Laugen, Säfte, von Flüssigkeits-Gas- und Flüssigkeits-Feststoffgemische wie z.B. Slurry eingesetzt. Sie werden in Abhängigkeit der Hauptparameter Volumenstrom, Förderhöhe und Drehzahl als Hubkolbenpumpen, Membranpumpen, Drehkolbenpumpen, Ein- und Mehrspindelpumpen, Exzenterschneckenpumpen und Kreiselpumpen gebaut. Die Kreiselpumpen werden als Radial-, Diagonal- oder Axialpumpen und als Seitenkanalpumpen gebaut.

Kompressoren werden als Hubkolbenverdichter, rotierende Verdrängerverdichter und als Turboverdichter zu Verdichtung von Luft und technischen Gasen gebaut und betrieben. Die rotierenden Verdrängerverdichter werden eingeteilt in Drehkolbenverdichter (Rootsverdichter), Kreiskolbenverdichter, Schraubenverdichter, Drehschieberverdichter, Seitenkanalverdichter, Flüssigkeitsringverdichter.

Verbrennungsmotoren sind Energieumwandlungsmaschinen. Sie wandeln die chemische Energie, die in Kraft- oder Brennstoffen enthalten ist, in mechanische Energie um. Aus thermodynamischen Gründen kann die im Kraftstoff enthaltene Energie (Heizwert) nicht vollständig in mechanische Energie umgewandelt werden. Deswegen haben Verbrennungsmotoren genauso wie beispielsweise Kraftwerke immer einen Wirkungsgrad, der deutlich kleiner als 100% ist. Das bedeutet, dass ein Teil der im Kraftstoff enthaltenen Energie in Form von Abwärme und Abgasenergie an die Umgebung abgegeben werden muss.

Unter Urformen versteht man das Fertigen eines festen Körpers aus formlosem Stoff. Formlose Stoffe sind Gase, Flüssigkeiten, Pulver, Granulate und Späne.– Einzelne UrformverfahrenGießen: Stoff in flüssigem oder breiigem Zustand wird in eine geometrische Form gebracht. Sintern: Formloser Stoff in festem Zustand (Pulver) wird gemischt und durch Pressen und nachfolgende Wärmebehandlung in eine geometrische Form gebracht.

Bei allen Zerspanvorgängen (Drehen, Hobeln, Fräsen, Bohren ...) sind die Bewegungen Relativbewegungen zwischen Werkstück und Werkzeugschneide. Man unterteilt in Bewegungen, die unmittelbar die Spanbildung bewirken (Schnitt-, Vorschub- und resultierende Wirkbewegung) und solche, die nicht unmittelbar zur Zerspanung führen (Anstell-, Zustell- und Nachstellbewegung). Alle Bewegungen sind auf das ruhend gedachte Werkstück bezogen. Schnitt- und Vorschubbewegung können sich aus mehreren Komponenten zusammensetzen, z. B. die Vorschubbewegung beim Drehen eines Formstücks aus Längs- und Planvorschubbewegung.

Werkzeugmaschinen gehören neben Werkzeugen, Vorrichtungen, Mess- und Prüfmitteln zu den Betriebsmitteln und werden benötigt, um die Fertigung im Bereich der Produktionstechnik zu realisieren. Damit bestimmen sie wesentlich die Produktivität und Effizienz im gesamten Maschinenbau. Werkzeugmaschinen sind unmittelbar oder indirekt Voraussetzung für die Produktion aller anderenMaschinen und die einzigen Maschinen, die sich selbst herstellen. Aufgrund dieser Schlüsselrolle gelten sie als attraktives Exportgut.Im Kapitel 59 Grundlagen werden die Bedeutung, die Anforderungen und Beurteilungskriterien sowie die Klassifizierung und Bezeichnung der Werkzeugmaschinen dargestellt.

Zur Realisierung der Bearbeitung von Werkstücken mit Werkzeugmaschinen müssen die Werkstücke in den Maschinen aufgenommen werden. Typische Beispiele dafür sind die Aufnahme direkt oder mithilfe von Vorrichtungen auf dem Maschinentisch sowie direkt oder mit speziellen Vorrichtungen auf Paletten, die in die Maschine eingewechselt werden. Charakteristische Aufnahmen werden in diesem Kapitel beschrieben. Aufgrund ihrer besonderen Bedeutung in der spanenden Fertigung werden die Grundlagen zu Aufbau und Funktion von Vorrichtungen näher erläutert.

In diesem Kapitel werden mögliche Prinzipien des Aufbaus und der Funktion sowie die damit verbundenen Eigenschaften der Hauptbaugruppen (Gestelle, Führungen, Antriebe, Hauptspindeln und Steuerungen) von Werkzeugmaschinen dargestellt.

Unter Beachtung der Entwicklung von klassischen, vorwiegend auf die Anwendung eines Fertigungsverfahrens ausgerichteten Werkzeugmaschinen (Drehmaschine, Fräsmaschine, Bohrmaschine, Schleifmaschine usw.) zu Bearbeitungszentren (BAZ) zur Komplettfertigung werden in diesem Kapitel ausgewählte Fertigungssysteme gezeigt. Schwerpunkte sind dabei Maschinensysteme zur Weich- und Hartbearbeitung von rotationssymmetrischen Werkstücken, zur Mehrseiten-Bearbeitung prismatischer Teile und zur Herstellung von Verzahnungen.

Aus dem großen Gebiet der Maschinen zur Realisierung der Umform- und Schneidtechnik wird auf die in der Praxis am häufigsten in der Anwendung befindlichen Maschinen eingegangen.Im Bereich der Massivumformung stehen dabei Pressen, Hämmer und Walzmaschinen im Fokus. Im Bereich der Blechbearbeitung liegen die Schwerpunkte bei mechanischen und hydraulischen Pressen, Stanz- und Laserschneidmaschinen sowie Biege- und Abkantmaschinen.

In Anlehnung an DIN 8590, in der die die Einteilung der abtragenden Verfahren erfolgt, werden die abtragende Werkzeugmaschinen klassifiziert und in diesem Kapitel als Beispiele Schneid- und Senkerodiermaschinen, Laserstrahlbearbeitungsmaschinen und Wasserstrahlschneidanlagen betrachtet.

Nach der VDI-Richtlinie 3220 sind Feinbearbeitungsverfahren alle formgebenden Fertigungsverfahren, deren Ergebnis eine Verbesserung von Maß, Form, Lage und Oberflächenqualität ist, wobei die erzielte Maßgenauigkeit mindestens der ISO-Qualität IT 7 (in den meisten Fällen IT 6) entspricht. Weiterhin werden zur Definition des Begriffs „Feinst- oder Präzisionsbearbeitung“ die erzielbare Rautiefe und die geforderten und erreichbaren Form- und Lagetoleranzen genutzt.Basierend auf dieser Abgrenzung werden in diesem Kapitel Maschinen und Anlagen zum Honen, Kurzhubhonen oder Superfinishen, Läppen und Glattwalzen dargestellt.

In den 1950er Jahren wurde am Bostoner MIT (Massachusetts Institute of Technology) die Grundlage der modernen CNC-Technik gelegt. Für die spanende Herstellung von Rotorprofilen für Hubschrauber auf Basis vorab berechneter Konturverläufewurden erstmalig Steuerungen auf Basis diskreter elektronischer Bauelemente entwickelt. Mit der Einführung integrierter elektronischer Schaltkreise (ICs) begann diese Technologie schrittweise Einzug in dieWerkzeugmaschinenindustrie zu halten. Neben der Entwicklung der Hardware wurde die Programmierung und die Entwicklung von entsprechenden Programmiersprachen einfür die Akzeptanz dieser Technologie entscheidende Größe. Wurden anfangs die erforderlichen Informationen über Lochkarten eingelesen erfolgt der Datenaustausch heute zwischen zentralen Datenspeichern und Maschinensteuerungen über Netzwerke.Informationen, die die Abläufe an einer Werkzeugmaschine bzw. allgemeiner einer Fertigungseinrichtung steuern, bestehen aus Ziffern und Zahlen, was zum Begriff der numerischen Steuerung (Numerical Control D NC) führte. Da diese Steuerungen seit Ende der siebziger Jahre auf der Grundlage programmierbarer Mikrorechner funktionierten, etablierte sich hierfür der Begriff CNC-Technik (Computerized Numerical Control).

In der zerspanenden Fertigung lassen sich die meisten Bearbeitungsprobleme aus den drei Geometrieelementen Punkt, Gerade und Kreis darstellen. Die notwendigen Steuerungsvorgänge werden über das Teileprogramm durch die Werkzeugmaschinensteuerung den Antriebselementen übermittelt. Dazu bedient man sich bestimmter Steuerungsgrundelemente.

Bei der manuellen Programmierung werden von einem Teileprogrammierer auf einem Programmierblatt von Hand (manuell) alle für die Maschinensteuerung erforderlichenAnweisungen (Steuerungsbefehle) niedergeschrieben. Die Anweisungen werden in Einzelschritte untergliedert, um den fertigungsgerechten Ablauf der Werkstückherstellungsicherzustellen. Die Anweisungen bestehen aus geometrischen und technologischen Daten (Werkstückmaße. Schnittgeschwindigkeit, Vorschub usw.). Das so erarbeiteteCNC-Steuerungsprogramm wird auch Teileprogramm genannt.

Konstruktion und auch Fertigung erfolgen in der Praxis fast ausschließlich rechnerunterstützt. Mit diesem Rechnereinsatz beim Konstruieren (CAD, Computer Aided Design) und Fertigen CAM (Computer Aided Manufacturing) scheint die technische Zeichnung an Bedeutung zu verlieren, da die Verständigung zwischen Konstruktions- und Fertigungsabteilung primär durch den Austausch digitaler Daten erfolgen kann. Die technische Zeichnung ist aber nach wie vor aus dem Konstruktions- und Entwicklungsprozess nicht wegzudenken, weil hauptsächlich mit ihrer Hilfe der Status einer Konstruktion dokumentiert wird.

Die Steuerungstechnik ist neben der Regelungstechnik das Hauptgebiet der Automatisierungstechnik. Steuerungen werden gewählt, wenn der zu automatisierende Prozess oder die zu automatisierende Anlage nur erfassbaren Störungen unterliegen. In diesem Kapitel erfolgt die Einordnung der Steuerungsaufgaben in die Ebenen der Automatisierungspyramide sowie deren Unterteilung nach unterschiedlichen Klassifizierungsarten. Allen gemein ist es, dass der gesteuerte Prozess ohne Eingriff des Menschen arbeiten soll. Dafür sind die Gewinnung von Informationen aus dem zu steuernden System, deren Verarbeitung und eine Reaktion in dem System erforderlich. Die Reaktion wird wiederum mittels Informationen ausgelöst. Es ist somit erforderlich zu wissen, wie Informationen dargestellt werden können und welche Funktionen zu deren Verarbeitung zur Verfügung stehen. Diese werden ebenfalls in diesem Kapitel vorgestellt, vorrangig für binäre Signale. Es erfolgt sowohl die Darstellung grundlegender Funktionen für die Programmierung als auch deren elektrische und fluidische Schaltungen.

Verbindungsprogrammierte Steuerungen werden eingesetzt, wenn die Anzahl der Verknüpfungsfunktionen gering ist oder spezifische Funktionen es erfordern. Nachteilig gegenüber Speicherprogrammierbaren Steuerungen sind die geringere Flexibilität, ein geringerer Funktionsumfang und die Tatsache, dass sich analoge oder digitale Daten praktisch nicht verarbeiten lassen. Anhand einiger Beispiele wird diese Art der Steuerung hier vorgestellt.

Eine Speicherprogrammierbare Steuerung ist eine rechnergestützte programmierte Steuerung. In diesem Kapitel werden ausgehend vom Hardwareaufbau und der Arbeitsweise wichtige Grundlagen zur Programmierung dieser Steuerungen aufgeführt. Diese beinhalten die Vorstellung wichtiger Programmiersprachen, die Verarbeitung analoger Signale und die Ankopplung von Systemkomponenten über Bussysteme. Abschließend wird anhand einer Beispielanlage die Auswahl der SPS- Hardware und die einführenden Schritte, wie die Konfiguration der Hardware als Voraussetzung zur Programmierung vorgestellt.

Soll eine Maschine ohne weitere Überprüfung in Europa in Verkehr gebracht werden, so ist nachzuweisen, dass diese die Forderungen der sogenannten Maschinenrichtlinie erfüllt. Durch Gesetzgebungen und Normen innerhalb der Mitgliedsstaaten wird das Einhalten dieser Richtlinie abgesichert. Ihr Ziel ist es, dass von der Maschine keine Gefahr für den Menschen ausgeht, d.h. sämtliche Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen erfüllt werden. Dieses Kapitel beschreibt das allgemeine Vorgehen, das zu einer funktional sicheren Maschine und somit der Erfüllung der Maschinenrichtlinie führt.

Die Regelungstechnik bildet in zweierlei Hinsicht eine Ausweitung der Steuerungstechnik. Zum einen fließen Informationen zurück. Aus der Steuerkette wird ein Regelkreis. Zum anderen spielt das Zeitverhalten der Elemente des Regelkreises eine entscheidende Rolle. Im ersten Teil werden die wesentlichen Grundbegriffe vorgestellt und an Beispielen erläutert. Ein wichtiges Instrument ist der Wirkungsplan. Er ist die sinnbildliche Darstellung der Gesamtheit aller Wirkungen in einem System. An ihm lassen sich die logischen Abhängigkeiten einfach erkennen. Ein Regelkreis setzt sich aus vielen Komponenten zusammen, deren Zusammenwirken die Eigenschaften und die Wirkungen des Regelkreises ausmachen. Methodisch wird so vorgegangen, dass zunächst das (zeitliche) Verhalten der einzelnen Komponenten untersucht und beschrieben wird. Die Beschreibung dieses zeitlichen Verhaltens bildet den Abschluss.

Die Regelstrecke ist derjenige Teil des Wirkungsweges, welcher den aufgabengemäß zu beeinflussenden Teil der Anlage darstellt.Die regelungstechnische und auch mathematische Behandlung von Regelstrecken gibt in zweierlei Hinsicht Probleme auf. Einerseits ist die Art der Strecke oft durch das zu regelnde Problem vorgegeben und in ihren Parametern nur wenig veränderbar. Andererseits sind die Kenngrößen der Strecken fast immer unbekannt, sie werden meist nicht – wie bei Reglern – von den Händlern mitgeliefert und müssen zunächst entweder durch physikalische Gesetzmäßigkeiten oder experimentell ermittelt werden. Es interessiert hierbei sowohl das Zeitverhalten als auch das statische Verhalten. Das statische Verhalten dient in erster Linie zur Beurteilung der generellen Eignung, d. h., ob der Stellbereich überhaupt sinnvoll durch die Strecke abgedeckt werden kann. Diese Information kann aus dem Kennlinienfeld nach Wahl des Arbeitspunktes ermittelt werden. Das Zeitverhalten dient zur Beurteilung der Frage, ob eine gegebene Strecke im Zusammenwirken mit den anderen Teilen des Regelkreises sinnvolle Ergebnisse liefert. Notwendig dafür ist stets eine mathematische Beschreibung des dynamischen Verhaltens der Strecke. Die Ergebnisse dieser Berechnungen werden meist grafisch dargestellt. Aus diesen Diagrammen kann der Praktiker vor Ort dann wichtige Informationen gewinnen. Das unterschiedliche dynamische Verhalten bildet auch die Grundlage für eine Systematisierung der unterschiedlichen Streckentypen. Diese erfolgt nicht nach der zu regelnden physikalischen Große, sondern nach dem Zeitverhalten der Strecke.

In einer Analogie kann man die Strecke als „Patient“ und den Regelungstechniker als „Arzt“ ansehen. Die „Diagnose“ in Form der Klassifizierung und Parameteridentifizierung der Strecke ist geschehen. Nun interessiert die Frage, welche Mittel zur „Therapie“ zur Verfügung stehen. Oder: Welche Typen von Reglern gibt es? Streng genommen muss zwischen dem Regler und dem Regelglied getrennt werden. In den allermeisten Fällen bilden jedoch Regelglied und Vergleicher eine Einheit, sodass man vom Reglerverhalten sprechen kann, obwohl eigentlich nur das des Regelgliedes gemeint ist.

In den vorigen Abschnitten wurden die Grundglieder von Strecken und Reglern einzeln behandelt. Aufgabe der Regelungstechnik ist, für eine meist vorgegebene Strecke ein der Aufgabe gemäß passenden Regler auszuwählen und seine Parameter für ein optimales Regelverhalten einzustellen.Oft ist eine Strecke gegeben. Ihre Kennwerte müssen aber meist erst empirisch ermittelt werden. Die Ergebnisse werden entweder als Frequenzgang, im Bode-Diagramm oder in der Ortskurve dargestellt.Folgende Fragen sind zu klären:– Welche Aufgaben gibt es für den Regelkreis?– Wie findet man einen zur Strecke passenden Regler?– Welche Güte- oder Beurteilungskriterien gibt es für einen Regelkreis?– Wie kann man das Verhalten des Regelkreises beschreiben?– Was heißt ‚optimales‘ Verhalten?– Wie kann man die dazu gehörenden Parameter ermitteln?

Neben der klassischen Regelungstechnik hat eine andere Art der Herangehensweise an Regelungsaufgaben Bedeutung, die mit vermeintlich unscharfen (engl.:fuzzy) Begriffen wie ‚Temperatur ist viel zu hoch’, ‚Laufkatze ist weit weg’, ‚Ventil wird weit geöffnet’ arbeitet. Gerade in Zeiten von künstlicher Intelligenz, autonomem Fahren, Mechatronik, Internet of things und Smarthome erlangen unscharfe Aktionen wie „etwas mehr“, „etwas schneller“, „etwas wärmer“ und „etwas weniger Details“ eine immer größer werdende Bedeutung. Zufällig oder unscharf ist diese Art der Regelung nicht, sondern sie führt über ein präzises Regelwerk zu genau determinierten Ergebnissen.Dieses Regelwerk in Verbindung mit den ‚unscharfen’ Begriffen gestattet es, durch vorhandenes Expertenwissen Prozesse zu verbessern, die mit klassischer Regelungstechnik nur aufwändiger und weniger ‚elegant’ zu lösen wären. Insbesondere in Fällen, in der die Regelungsaufgabe nicht durch ein mathematisches Modell zu beschreiben ist, hat Regelung mit Fuzzy-Methoden deutliche Vorteile. Sie findet deshalb auch in den oft durch viele Störgrößen gekennzeichneten Alltagsproblemen zunehmend Einsatz. Beispiele sind die Regelung der Wassermenge, der Waschmittelmenge und der Wassertemperatur in einer Haushaltswaschmaschine, die Regelung der Saugleistung in einem Haushaltsstaubsauger, die Regelung der Raumtemperatur in einer Wohnung. Wesentliche industrielle Anwendungen findet man auch in der Medizintechnik, der Fahrzeugtechnik, der Elektrosicherheit. Weitere Anwendungen sind die Regelung von Verkehrssystemen, die Prognose der zu erwartenden Last in Mobilfunkstationen und bei Energieversorgern, Alarmsysteme für die Anästhesie, Brandmeldetechnik und viele andere mehr.

Die technisch orientierte Betriebswirtschaft unterstützt den Techniker und Ingenieur bei der– Planung und Realisierung wirtschaftlicher Prozesse (Fertigungsprozesse, Entwicklungsprozesse im F+E-Bereich, Vertriebsprozesse, Beschaffungsprozesse),– Überwachung der Wirtschaftlichkeit,– Führung und Management von Abteilungen, Teams, Mitarbeitern und– Entwicklung und Vermarktung kundenorientierter und marktgerechter Produkte.

Die Unternehmensplanung hat die Aufgabe, eine dauerhafte, nachhaltige Strategie für das Unternehmen zu entwickeln, alle Aktivitäten auf diese Strategie auszurichten und in die Planungen der einzelnen Unternehmensbereiche einzubringen. Die Entwicklung einer Unternehmensstrategie beginnt mit der Formulierung der Mission des Unternehmens (was sind wir, wie stellen wir uns nach außen und innen dar, was sind unsere Grundsätze?). Eine vorbildliche Mission hat der Motorenhersteller Deutz erstellt.

Die Durchführung der Wertschöpfungsprozesse erfordert umfangreiche Finanzmittel, die durch die Finanzplanung bereitzustellen sind. Bleiben Lücken in der Finanzierung von Geschäftsaktivitäten, droht im schlimmsten Fall die Illiquidität (Zahlungsunfähigkeit) und das Ende der Geschäftstätigkeit. Der Erfolg der Finanzplanung zeigt sich u. a. in der Bilanz des Unternehmens (Abb. 81.1). Sie unterscheidet Aktiva und Passiva. Unter Aktiva ist das Umlaufvermögen, bestehend u. a. aus Finanzmitteln und Materialbeständen und das Anlagevermögen, bestehend u. a. aus Gebäuden, Anlagen und Maschinen aufgeführt.Die Passiva zeigen die Mittelherkunft: Die Einlagen der Eigner bzw. der Aktionäre, die im Unternehmen erarbeiteten Rücklagen und der erzielte Gewinn werden zum Eigenkapital zusammengefasst. Das Fremdkapital besteht aus den Verbindlichkeiten, die dem Unternehmen in Form von Krediten von Kapitalgebern und Lieferanten (Schulden) gewährt werden. Kurzfristige Verbindlichkeiten sind noch nicht bezahlte Lieferantenrechnungen, Kontokorrentkredite und sonstige kurzfristig fällige Schulden. Langfristige Verbindlichkeiten sind u. a. vom Unternehmen emittierte Anleihen, langfristig fällige Kredite bei Banken und auch Rückstellungen für Pensionen der Mitarbeiter.Der Bilanzgewinn (Jahresüberschuss) ermittelt sich aus der Gewinn- und Verlustrechnung, die alle Erträge und Aufwendungen des Geschäftsjahres gegenüberstellt.

Die Kosten- und die Wirtschaftlichkeitsrechnung als Hauptinhalt des internen Rechnungswesens stellt den technischen Bereichen die Entscheidungsinformationen zur Verfügung um– die Produktkosten zu beeinflussen und die Preisfindung abzusichern (Produktkalkulation),– die Wirtschaftlichkeit betrieblicher Maßnahmen zu bestimmen (Wirtschaftlichkeitsrechnung),– Auswahlentscheidungen in Entwicklung, Produktion und Logistik zu treffen (Produktkalkulation).

Mit der Wandlung vom Verkäufer- zum Käufermarkt, der zunehmenden Konkurrenz und der häufig identischen Produkte wird dasMarketing zur Voraussetzung für den Unternehmenserfolg. Marketing wird dabei als Ausrichtung des Unternehmens auf den Markt. und den Kunden definiert. Diese Marktausrichtung betrifft alle Funktionen der Wertschöpfungskette in Abb. 79.2, insbesondere den Vertrieb und die Entwicklung.

Die Arbeit spielt im Leben des Menschen eine beherrschende Rolle. Er ist hier einer Vielzahl von Einflüssen ausgesetzt, die die Gesundheit und das Wohlbefinden beeinflussen und die weit in die übrigen Lebensbereiche hineinwirken. Aus diesem Grunde beschäftigt man sich seit Menschengedenken mit den Veränderungen im Arbeitsleben und in der Arbeitswelt.

Nach REFA (Verband für Arbeitsgestaltung, Betriebsorganisation und Unternehmensentwicklung e.V.) besteht das Arbeitsstudium in der Anwendung von Methoden und Erfahrungen zur Untersuchung und Gestaltung von Arbeitssystemen mit dem Ziel, unter Beachtung der Leistungsfähigkeit und der Bedürfnisse des arbeitenden Menschen, die Wirtschaftlichkeit des Betriebes zu verbessern. Dabei wirken in Arbeitssystemen Menschen und Betriebsmittel zusammen, um Arbeitsaufgaben zu erfüllen.

Die Arbeitsvorbereitung im klassischen Sinn bezieht sich auf den Bereich der Fertigung und Montage. Das Ziel besteht darin, ein bestmögliches wirtschaftliches Arbeitsergebnis zu erreichen. Die Realisierung erfolgt grundsätzlich in zwei meist auch organisatorisch getrennten Aufgabenbereichen, die als Arbeitsplanung und Arbeitssteuerung [auch Produktionsplanung und -steuerung (PPS) oder Fertigungsplanung und -steuerung genannt] bezeichnet werden.Die Aufgaben der Arbeitsplanung werden in Funktionen und Unterfunktionen gegliedert. In der Arbeitsablaufplanung wird für jedes einzelne Element der Erzeugnisgliederung die Reihenfolge der Arbeitsvorgänge festgelegt. Bei häufig wiederkehrenden Arbeitsvorgängen werden in der Methodenplanung technologische Verfahren und organisatorische Abläufe festgelegt bzw. entwickelt.Die Arbeitsstättenplanung reicht von der Planung einer Fabrik über die Werkstättenplanung bis hin zur Gestaltung einzelner Arbeitsplätze. Die Arbeitsstättenplanung kann organisatorisch auch parallel zur Arbeitsvorbereitung angeordnet sein, wobei ihr dann oft die Instandhaltung übertragen ist.Im Funktionsbereich Arbeitsmittelplanung werden für jedes Werkstück die jeweiligen Arbeitsmittel bestimmt. Dies beinhaltet sowohl Maschinen und Anlagen, als auch Lager und Transporteinrichtungen. Zusätzlich werden Werkzeuge, Vorrichtungen, Lehren, Schablonen, Gesenke, (Guss- und Spritz-) Formen sowie eventuelle Spezialmaschinen festgelegt.

Die zunehmende Komplexität von Produkten und Dienstleistungen sowie die veränderten Kundenanforderungen haben die Fragen der Qualität immer mehr in den Vordergrund des unternehmerischen Handelns gerückt. Qualität ist vom lateinischen „qualitas“ abgeleitet und bedeutet soviel wie Güte, Beschaffenheit, Brauchbarkeit, Eigenart. Qualität dient den Bedürfnissen der Verbraucher und wird durch den Nutzer wahrgenommen.Der Kunde verbindet mit hochwertigen Produkten und Prozessen eine hohe technische Zuverlässigkeit. Diese Zuverlässigkeit ist verknüpft mit einer Minimierung des Ausfallrisikos und führt zu einer Verringerung der Produkthaftung.Kriterien wie Qualität, Preis und Termin-/Liefertreue sind heute die Faktoren des Erfolgs eines Unternehmen.Der Erfolg eines Unternehmens wird also im Wesentlichen durch die Produkt- und Prozessqualität bestimmt. Ziel eines Unternehmens es ist, den beabsichtigten Erfolg mit möglichst geringem Aufwand (ökonomisches Prinzip) zu erreichen. Treten jedoch Ausfälle oder Fehler auf, so verursachen diese oftmals erhebliche Kosten. Diese Kosten sind umso höher, je später die Fehler im Produktionsablauf bzw. während der Lebensdauer eines Produktes erkannt werden. Aus diesem Grunde sind Verfahren des präventiven Qualitätsmanagement besonders wichtig. Die Erwartungshaltung der Kunden im Hinblick auf die Qualität der Produkte und Dienstleistungen nimmt zu. Es werden besondere Anforderungen an die Zuverlässigkeit, Haltbarkeit, Funktionalität, Design, einfache Inbetriebnahme, Wartung und den Service gestellt. Darüber hinaus legtder Kunde immer mehr Wert auf gute Beratung und Unterstützung bei der Wahl und Anwendung der Produkte und Dienstleistungen.Daher ist die Qualität ein wesentlicher Wettbewerbsfaktor, der über den langfristigen Unternehmenserfolg entscheidet.

Die Produktionslogistik befasst sich mit der Planung und Steuerung der Waren- und Informationsflüsse im Unternehmen. Sie ist eingebettet in eine umfassende Lieferkette (Supply Chain), bestehend aus Beschaffungs-, Produktions- und Vertriebslogistik.Die Produktionslogistik ist eine wesentliche Voraussetzung für den Unternehmenserfolg. Aus der Finanzperspektive des Unternehmens fördert eine effektive Produktionslogistik wichtige Erfolgsgrößen im Unternehmen wie– Unternehmensgewinn– Kapitalrendite– Liquidität.

Im Folgenden werden die Teilprozesse der Produktionslogistik bei Eigenfertigung unter Einsatz des ERP-Systems SAP R/3 beschrieben. Dabei wird die häufigste Fertigungsart, die kundenanonyme Losfertigung, zugrundegelegt.