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Über dieses Buch

Das Fachwissen des Maschinenbaus wird strukturiert, konzentriert, verlässlich und anwendungsorientiert dargestellt. Auch in der normenaktualisierten 23. Auflage geben Fachtexte, Formelsammlungen, Einheitentabellen und Berechnungsbeispiele zuverlässige Informationen und erprobte Hilfestellungen für das Studium. Aber auch in der Berufspraxis ist das Handbuch als Fach-Kompendium von bleibendem Wert. Überarbeitet und aktualisiert wurden unter anderem die Abschnitte Mathematik, Naturwissenschaftliche Grundlagen (Physik), Thermodynamik, Grundlagen der Mechatronik, Kraft- und Arbeitsmaschinen (Pumpen, Verdichter, Windkraftanlagen, Verbrennungsmotoren), Fördertechnik, Werkzeugmaschinen, Spanlose Fertigung und Steuerungstechnik.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Mathematik

Frontmatter

1. Grundlagen

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.

Arnfried Kemnitz

2. Funktionen

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.

Arnfried Kemnitz

3. Trigonometrie

Das Wort Trigonometrie kommt aus dem Griechischen und bedeutet Dreiecksmessung. Die Trigonometrie ist die Lehre von der Dreiecksberechnung mit Hilfe von Winkelfunktionen (trigonometrischen Funktionen).

Arnfried Kemnitz

4. Analytische Geometrie

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.

Arnfried Kemnitz

5. Differential- und Integralrechnung

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.

Arnfried Kemnitz

6. Gewöhnliche Differentialgleichungen

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.

Arnfried Kemnitz

Naturwissenschaftliche Grundlagen

Frontmatter

7. Physik

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.Die Physik wird gegliedert in die BereicheMechanik (siehe Teil ),Thermodynamik (siehe Teil ),Elektrizitätslehre (siehe Teil ),Akustik,Optik,Wellen,Schwingungen,Atomphysik.

Gert Böge, Wolfgang Böge

8. Chemie

Das Kapitel „Chemie″ gibt eine kompakte Übersicht über die für den Maschinebau notwendigen chemischen Grundlagen und ihre technischen Anwendungen. Auf Atombau, Radioaktivität und Periodensystem folgen chemische Bindung, Stöchiometrie und chemische Reaktionen, Säuren und Basen, Fällungsreaktionen und Elektrochemie, bis hin zu den organischen Stoffklassen. Praktische Hinweise beleuchten die chemische Thermodynamik und Katalyse, Wasserhärte und Wasseraufbereitung, Luftverunreinigungen und Bauchemie, bis hin zu Batterien und Galvanotechnik.

Peter Kurzweil

Technische Mechanik

Frontmatter

9. Statik starrer Körper in der Ebene

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 (Abb. 9.1):Betrag der Kraft, z. B. $$\textit{F}=18$$ N; in bildlicher Darstellung festgelegt durch die Länge einer Strecke in bestimmtem Kräftemaßstab (KM).Lage der Kraft; festgelegt durch ihre Wirklinie (WL) 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 ResultierendeF r zweier oder mehrerer Kräfte F 1 , F 2 , … ist diejenige gedachte Ersatzkraft, die dieselbe Wirkung auf den Körper ausübt wie alle Einzelkräfte F 1 , F 2 … 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, Abb. 9.2).Es wirkt immer dann ein Kräftepaar, wenn sich ein starrer Körper dreht oder – ohne Bindungen – drehen würde (Welle, Handrad, Tretkurbel).

Gert Böge, Wolfgang Böge

10. Dynamik

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).Bei gleichförmiger Bewegung werden in gleichen Zeitabschnitten $$\Updelta$$t (z. B. eine Sekunde) gleiche Wegabschnitte $$\Updelta s$$ zurückgelegt. Die Geschwindigkeit v ist zu jedem Zeitpunkt gleich groß: 10.1$$v =\frac{\Updelta s}{\Updelta t}\overset{\wedge}{=}\tan\alpha\qquad\begin{array}[]{c|c|c}v&\Updelta s&\Updelta t\\ \hline\dfrac{\text{m}}{\text{s}}&\text{m}&\text{s}\end{array}$$$$\Updelta s =\textit{s}_{2}-\textit{s}_{1}\qquad\Updelta t=\textit{t}_{2}-\textit{t}_{1}$$ (10.1) ist zugleich die Gleichung für die Durchschnittsgeschwindigkeit.Aufgaben der Bewegungslehre lassen sich leichter lösen, wenn das v, t-Diagramm aufgezeichnet und ausgewertet wird (Skizze genügt).

Gert Böge, Wolfgang Böge

11. Hydrostatik

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 Schallgeschwindigkeit vernachlässigt werden. Sie werden deshalb in der praktischen Strömungslehre wie Flüssigkeiten behandelt.Eine Flüssigkeit überträgt auf eine Fläche beliebiger Lage immer nur Normalkräfte. Der hydrostatische Druck – kurz Druck p – gibt die Normalkraft je Flächeneinheit an (Normalkraft dividiert durch Fläche) und steht daher ebenfalls immer rechtwinklig auf der betrachteten Fläche. $$ \text{Druck }p=\frac{\text{Normalkraft }F_{\text{N}}}{\text{Fl{\"a}che}\,A}$$11.1$$ \textit{p}=\frac{F_{\text{N}}}{\text{A}}\qquad\begin{array}[]{c|c|c}\textit{p}&\textit{F}_{\text{N}}&\textit{A}\\ \hline\dfrac{\text{N}}{\text{m}^{2}}=\text{Pa}&\text{N}&\text{m}^{2}\end{array}$$ Die gesetzliche und internationale Einheit (SI-Einheit) für den Druck p ist das Pascal (Kurzzeichen Pa).

Gert Böge, Wolfgang Böge

12. Hydrodynamik; Eindimensionale stationäre inkompressible Strömung

Strömungsvorgänge in Maschinen, Apparaten, Anlagen und in der Natur verlaufen in der Regel dreidimensional und viele davon auch instationär, d. h. zeitabhängig wie z. B. An- und Abfahrvorgänge von Maschinen. Es gibt genügend Strömungsvorgänge, bei denen zwei Geschwindigkeitskomponenten gegenüber der Hauptströmungsrichtung c x in erster Näherung vernachlässigt werden können, ohne nennenswerte Fehler zu begehen wie z. B. in Trinkwasserversorgungsrohrleitungen, in Pipelines oder in anderen Rohrleitungen für Fluide mit konstanter Dichte ($$\rho=$$ konst.). Diese Strömungen nennt man stationär, eindimensional und inkompressibel. Ist die stationäre, eindimensionale Strömung kompressibel, wie z. B. in Gasrohrleitungen, Gasturbinen oder in Kompressoren, dann wird sie durch die Gesetze der Gasdynamik beschrieben.Alle Strömungsvorgänge verlaufen reibungsbehaftet, besonders in der Nähe angrenzender Wände mit der Wandhaftung. Sie werden als viskose Strömungen bezeichnet. Überwiegen die Trägheitskräfte und die äußeren Kräfte (Druckkräfte, Gewichtskraft und Zentrifugalkraft) gegenüber der Reibungskraft, wie z. B. bei Tragflügelumströmungen, kann die Strömung näherungsweise reibungsfrei behandelt werden, z. B. mit Hilfe der Potenzialtheorie.

Dominik Surek

13. Gasdynamik; Eindimensionale kompressible stationäre Strömung

Bei der eindimensionalen kompressiblen stationären Strömung $$\textit{c}(\textit{x},\rho$$) ist die Dichte des Kontinuums eine variable Größe. Sie verändert sich entsprechend der Euler’schen Bewegungsgleichung in Abhängigkeit des Druckes, der Geschwindigkeit und der Temperatur.Mit den Gesetzen der Gasdynamik werden Unterschall- und Überschallströmungen in den Schaufelgittern von Gas- und Dampfturbinen, in Schaufelgittern von Axial- und Radialkompressoren, in den Überschalldüsen nach de Laval, in Gasrohrleitungen, an den Tragflächen und in den Triebwerken von Flugzeugen sowie an den Weltraumshuttles und Raketen berechnet. So werden z. B. die Triebwerke von Raketen mit Überschalldüsen ausgerüstet. Auch ballistische Geschosse werden mit den Gesetzen der Gasdynamik beschrieben. Extreme Bodenfahrzeuge mit Geschwindigkeiten von $$\textit{c}\geq 500\,\mathrm{km/h}=138{,}89\,\mathrm{m/s}$$ und Machzahlen von $$\textit{M}\geq 0{,}40$$ reichen ebenfalls in den Bereich der kompressiblen Strömung hinein.Im Vakuum bei Drücken von $$\textit{p}\leq 0{,}1$$ Pa stellt das Gas kein Kontinuum mehr dar, sondern es herrscht die freie Molekularströmung, die den Gesetzen der Gaskinetik folgt.

Dominik Surek

Festigkeitslehre

Frontmatter

14. Allgemeines

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.

Gert Böge, Wolfgang Böge

15. Die einzelnen Beanspruchungsarten

Wird ein Stab mit beliebigem, gleichbleibendem Querschnitt durch die äußere Kraft F in der Schwerachse auf Zug oder Druck beansprucht, so wird bei gleichmäßiger Spannungsverteilung, also in genügender Entfernung vom Angriffspunkt der Kraft, die Zug- oder Druckspannung$$ \sigma_{\mathrm{z,d}}=\frac{\text{Zug- oder Druckkraft }F}{\text{Querschnittsfl{\"a}che }A}$$$$ \textit{Zug- und Druck-Hauptgleichung}$$15.1$$ \sigma_{\text{z}\mathrm{,d}}=\frac{F}{A}\qquad\begin{array}[]{c|c|c}\sigma&F&A\\ \hline\frac{\text{N}}{\text{mm}^{2}}&\text{N}&\text{mm}^{2}\end{array}$$ Je nach vorliegender Aufgabe kann die Hauptgleichung umgestellt werden zur Berechnung des erforderlichen Querschnitts (Querschnittsnachweis): 15.2$$\displaystyle A_{\text{erf}}=\frac{F}{\sigma_{\text{zul}}}$$ Berechnung der vorhandenen Spannung (Spannungsnachweis): 15.3$$\displaystyle\sigma_{\text{vorh}}=\frac{F}{A}$$ Berechnung der maximal zulässigen Belastung (Belastungsnachweis): 15.4$$\displaystyle F_{\max}=\sigma_{\text{zul}}A$$ Treten Zug- und Druckspannungen in einer Rechnung gleichzeitig auf, werden sie durch den Index z und d oder durch das Vorzeichen + und − unterschieden.

Gert Böge, Wolfgang Böge

16. Zusammengesetzte Beanspruchungen

Auch in einfachen praktischen Fällen treten häufig mehrere Beanspruchungsarten gleichzeitig auf. Man unterscheidet gleichzeitiges Auftreten mehrerer Normalspannungen, gleichzeitiges Auftreten mehrerer Schubspannungen und gleichzeitiges Auftreten von Normal- und Schubspannungen.

Gert Böge, Wolfgang Böge

17. Beanspruchung bei Berührung zweier Körper

Hertzentwickelte Gleichungen für die Berührung zweier Körper mit gekrümmter Oberfläche unter folgenden Voraussetzungen:a)homogene, isotrope, vollkommen elastische Körper; es tritt keine bleibende Formänderung aufb)Gültigkeit des Hooke’schen Gesetzesc)die Abplattungen sind klein gegenüber den Körperabmessungend)in der Druckfläche treten nur Normalspannungen (Druck) auf, keine Schubspannungen.17.1$$a =\sqrt[3]{\frac{1{,}5\left(1-\mu^{2}\right)Fr}{E}}=1{,}11\sqrt[3]{\frac{Fr}{E}}$$17.2$$p =p_{0}\frac{\sqrt{a^{2}-\varrho^{2}}}{a}$$17.3$$p_{0} =\frac{1}{\pi}\sqrt[3]{\frac{1{,}5FE^{2}}{r^{2}\left(1-\mu^{2}\right)^{2}}}=0{,}388\sqrt[3]{\frac{FE^{2}}{r^{2}}}=\frac{1{,}5F}{\pi a^{2}}$$17.4$$\delta =\frac{a^{2}}{r}=\sqrt[3]{\frac{2{,}25\left(1-\mu^{2}\right)^{2}F^{2}}{E^{2}r}}=1{,}23\sqrt[3]{\frac{F^{2}}{E^{2}r}}$$17.5$$a =\sqrt{\frac{8\left(1-\mu^{2}\right)Fr}{\pi El}}=1{,}52\sqrt{\frac{Fr}{El}}$$17.6$$p =p_{0}\frac{\sqrt{a^{2}-\varrho^{2}}}{a}$$17.7$$p_{0} =\sqrt{\frac{FE}{2\pi rl\left(1-\mu^{2}\right)}}=0{,}418\sqrt{\frac{FE}{rl}}=\frac{2F}{\pi al}$$ (die Abplattung δ kann nach den Hertz’schen Gleichungen nicht berechnet werden).

Gert Böge, Wolfgang Böge

Werkstofftechnik

Frontmatter

18. Grundlagen

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) oderRegenerationsmöglichkeit bei großen Teilen.Daraus ergeben sich die Anforderungen an das Bauteil, das Anforderungsprofil mit seinen Bereichen (s. Tab. 18.1):Diesen Anforderungen muss der Werkstoff mit seinen Eigenschaften im Bauteil standhalten, sein Eigenschaftsprofil d. h. die Summe aller Eigenschaften muss mit dem Anforderungsprofil im Gleichgewicht stehen (Tab. 18.2). Meist ist eine Sicherheit gegen Bruch oder Verformung notwendig, sodass die Eigenschaften über den Anforderungen liegen müssen.Die Fertigung stellt zusätzliche Anforderungen an die technologischen Eigenschaften des Werkstoffs:Dadurch hat der Fertigungsweg einen starken Einfluss auf die Wahl des günstigsten Werkstoffes für ein Bauteil. Seine Profile müssen um die technologischen Eigenschaften erweitert werden (Tab. 18.3): Die Zahl der anwendbaren Fertigungsverfahren wird dadurch eingeschränkt, ebenso sind Größe, Gestalt und Stückzahl des Bauteils auf den günstigsten Fertigungsweg von Einfluss.Häufig ist eine Einteilung nach der Verwendungsart:Strukturwerkstoffe geben dem Bauteil die geometrische Form und Steifigkeit gegenüber angreifenden Kräften, z. B.: Stähle, Al- und Ti-Legierungen.

Wolfgang Weißbach

19. Metallkundliche Grundlagen

Die technisch wichtigen Metalle (Tab. 19.1) 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:Tab. 19.2 und 19.3 zeigen die Elementarzellen (kleinster, regelmäßiger Volumenteil, der sich in Richtung der Kristallachsen periodisch wiederholt). Kristalle (nur in Lunkern freiwachsend) sind ungeordnet zusammengewachsen, auch Kristallite oder Körner genannt. Sie bilden mit ihren Korngrenzen, evtl. Texturen und Verunreinigungen, das Gefüge des Metalls. Es kann im Schliffbild mikroskopisch vergrößert sichtbar gemacht werden (Lichtmikroskop 0,5 $${\upmu}$$m, Rasterelektronenmikroskop bis 0,5 nm auflösbare Teilchengröße).Durch räumliches Aneinanderreihen der E-Zellen ergibt sich ein fehlerloses Kristallgitter, der Idealkristall. Die Kristalle wirklicher metallischer Werkstoffe besitzen Störungen im Gitteraufbau infolge der Wärmebewegung der Teilchen und schneller Kristallisation (Tab. 19.4).

Wolfgang Weißbach

20. Eisen und Stahl

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 (Abb. 20.1):

Wolfgang Weißbach

21. Nichteisenmetalle

Geringere Vorkommen in 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.

Wolfgang Weißbach

22. Kunststoffe (Polymere)

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 Dopppelbindungen.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.Die Eigenschaftsunterschiede werden von den inneren Kräften bestimmt. Primärkräfte sind starke gerichtete Elektronenpaarbindungen zwischen den Monomerbausteinen. Sekundärkräfte sind schwach und wirken zwischen den Makromolekülen durch Dipolkräfte und H-Brücken.

Wolfgang Weißbach

23. Werkstoffe besonderer Herstellungsart oder Verarbeitung

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 (Tab. 23.1).MIM (metal injection moulding), PIM (powder injection moulding)

Wolfgang Weißbach

24. Oberflächenbeanspruchung durch Korrosion, Verschleiß und Schutzmaßnahmen

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.

Wolfgang Weißbach

25. Prüfung metallischer Werkstoffe

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.

Wolfgang Weißbach

Thermodynamik

Frontmatter

26. Grundbegriffe

In Kapitel 26 Grundbegriffe wird auf die drei thermischen Zustandsgrößen Temperatur t bzw. T, Druck p und Volumen V eingegangen. Daneben werden die wahre spezifische Wärmekapazität c und die mittlere spezifische Wärmekapazität c m behandelt, wobei Werte für Feststoffe und Flüssigkeiten benannt werden. Im Falle von Gasen wird auf die spezifische isobare und spezifische isochore Wärmekapazität c p und c v verwiesen; für mehrere ideale Gase werden deren temperaturabhängige wahre Werte und mittlere Werte angegeben. Auch wird auf den Isentropenexponent κ aufmerksam gemacht. Weiter wird die Wärmeausdehnung von festen und flüssigen Stoffen sowie von Gasen behandelt; hierzu werden Stoffwerte angegeben. Schließlich werden die Aggregatzustände (fest, flüssig, gasförmig) diskutiert und die Vorgänge beim Schmelzen und Erstarren sowie beim Sieden und Verflüssigen behandelt, wobei auch entsprechende Stoffwerte aufgeführt werden.

Martin Dehli, Heinz Wittig

27. Wärme und Arbeit

Kapitel 27 Wärme und Arbeit befasst sich zunächst mit dem Systembegriff. Darauf werden die innere Energie U, die Wärme Q und mit der Volumenänderungsarbeit W v , der technischen Arbeit (Druckänderungsarbeit) W t und der irreversiblen Dissipationsarbeit W d verschiedene Formen der Arbeit W behandelt; auch wird die Enthalpie H eingeführt. Weiter wird das Prinzip von der Erhaltung der Energie - der erste Hauptsatz der Thermodynamik - vorgestellt. Auf Kreisprozesse und den thermischen Wirkungsgrad η th wird eingegangen. Weiter werden der zweite Hauptsatz der Thermodynamik und - damit zusammenhängend - reversible und irreversible Abläufe erörtert; hiernach wird - als Zustandsgröße zur Erfassung des Ausmaßes der Irreversibilität eines Prozesses - die Entropie S behandelt. Schließlich wird kurz auf die Exergie und die Anergie - als zwei Bestandteilen der Energie - eingegangen.

Martin Dehli, Heinz Wittig

28. Zustandsänderungen idealer Gase

Im Kapitel 28 Zustandsänderungen idealer Gase wird zunächst auf die thermische Zustandsgleichung idealer Gase in den Formen pv = R i T und pV = mR i T eingegangen und die spezielle Gaskonstante R i eingeführt. Weiter werden die relevanten Berechnungsgleichungen für die speziellen Zustandsänderungen isochore Zustandsänderung (v = const.), isobare Zustandsänderung (p = const.), isotherme Zustandsänderung (T = const.) und isentrope Zustandsänderung (s = const.) zusammengestellt. Hiernach wird mit der polytropen Zustandsänderung die verallgemeinerte Zustandsänderung eingeführt; auch für sie werden die relevanten Berechnungsgleichungen benannt. Diese Zustandsänderungen der idealen Gase werden im p,v-Diagramm und im T,s-Diagramm grafisch veranschaulicht. Weiter werden - als Beispiele von Kreisprozessen mit idealen Gasen - der Carnot-Prozess und der Diesel-Prozess behandelt. Zur Verdeutlichung der Eigenschaften nicht nur idealer Gase, sondern auch realer Gase und Flüssigkeiten werden das T,s-Diagramm für Wasser und Wasserdampf sowie das lg p,h-Diagramm für das Kältemittel R 134a herangezogen und damit der Clausius-Rankine-Prozess sowie der Kompressions-Kaltdampf-Prozess beispielhaft behandelt. Schließlich wird auf Mischungen idealer Gase eingegangen.

Martin Dehli, Heinz Wittig

29. Wärmeübertragung

Im Kapitel 29 Wärmeübertragung werden mit der Wärmeleitung, dem Wärmeübergang (Wärmekonvektion) und der Wärmestrahlung verschiedene Formen der Wärmeübertragung behandelt. Die Gesetzmäßigkeiten der Wärmeleitung werden für ebene Wände und für dickwandige Rohre vorgestellt; weiter wird auf die Wärmeleitfähigkeit λ verwiesen, wofür Werte für verschiedene Stoffe benannt werden. Fragen des Wärmeübergangs werden mithilfe des Wärmeübergangskoeffizienten α beschrieben; dabei wird auf die Notwendigkeit zu dessen empirischer Erfassung nur kurz eingegangen; für sehr überschlägige Betrachtungen werden Anhaltszahlen für α aufgeführt. Als Gesamtvorgang aus Wärmeleitung und Wärmeübergang wird der Wärmedurchgang thematisiert. Hierzu werden für ebene Wände und für dickwandige Rohre Berechnungsgleichungen angegeben, wobei u. a. Gleichungen für den Wärmedurchgangskoeffizienten k eine Rolle spielen. Schließlich werden physikalische Zusammenhänge bei der Wärmestrahlung sowie beim Strahlungsaustausch für einfache Anwendungsfälle in Gleichungsform beschrieben.

Martin Dehli, Heinz Wittig

Elektrotechnik

Frontmatter

30. Grundlagen der Elektrotechnik

Die gesamte Materie besteht aus Atomen (atomos, griechisch: unteilbar). Ein Kupferwürfel mit 1 cm Kantenlänge enthält etwa 1023 Atome, die fest aneinander „gebunden“ sind. Nach den Erkenntnissen der Atomphysik setzen sich Atome aus noch kleineren Teilchen zusammen: Elektronen, Protonen und Neutronen. Stoffe, die aus gleichartigen Atomen aufgebaut sind, heißen Grundstoffe.Elektrizität ist eine Eigenschaft der Elektronen. Diese kleinsten Teilchen umkreisen den Atomkern mit großer Geschwindigkeit. Je nach Grundstoff findet man in dessen Atomen eine unterschiedliche Zahl von Elektronen auf verschiedenen Bahnen, den Elektronenschalen. Ein Elektron trägt die kleinste vorkommende Elektrizitätsmenge und für die Art seiner elektrischen Ladung hat man die Bezeichnung „negativ“ festgelegt.Protonen tragen die gleiche Elektrizitätsmenge wie die Elektronen. Da sich ihre elektrische Ladung jedoch umgekehrt verhält wie die des Elektrons, bezeichnet man sie als positiv. Diese positiven Protonen bestimmen, zusammen mit den elektrischen neutralen Neutronen, im Wesentlichen das Gewicht des Atoms.

Herbert Bernstein

31. Sinusförmige Wechselspannung

Sinusförmige Wechselspannungen werden in Wechselstromgeneratoren erzeugt. Beim Wechselstromgenerator ist die Drehbewegung einer Spule im Magnetfeld Ursache der Spannungserzeugung, wie Abb. 31.1 zeigt.In einem Wechselstromgenerator wird eine sinusförmige Wechselspannung erzeugt. Ein Leiter bewegt sich innerhalb eines magnetischen Feldes um die Achse. An den beiden Schleifringen kann Wechselstrom abgenommen werden. Die beiden Enden der dadurch entstehenden Ankerwicklung werden zu zwei Schleifringen geführt und von denen kann der Strom mittels Bürsten (Kohlen) abgenommen werden. Das Magnetfeld liefert ein Elektromagnet, dessen Wicklung durch eine Gleichstromquelle mit Strom versorgt werden muss.Die Pole bestehen aus Stahlgussklötzen oder sind aus gestanzten Blechen zusammengesetzt. Die Wicklungen sind unter Verwendung von Runddraht oder Flachdraht (Band) mit entsprechender Isolation der Drähte gegeneinander und der Wicklungen gegen den Metallkörper aufgebracht.

Herbert Bernstein

32. Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom)

Wegen des großen Energiebedarfs reicht für viele Anlagen und Geräte der Einphasenwechselstrom mit U = 230 V nicht mehr aus. Heute ist bei der Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie das leistungsfähigere Dreiphasenwechselstrom-System üblich. Abb. 32.1 zeigt die Erzeugung eines Dreiphasenwechselstromes.Drei Spulensysteme sind in dem permanenten Magnetfeld angeordnet. Die Spulen sind um 120$${}^{\circ}$$ gegeneinander mechanisch verschoben und man bezeichnet dieses Drittel als Phase. Da drei Spulen vorhanden sind, ergibt sich ein Dreiphasensystem und die Spannungen sind um 120$${}^{\circ}$$ gegeneinander elektrisch verschoben.

Herbert Bernstein

33. Drehstrommotor

Ein Drehstrommotor ist im Vergleich mit einem Gleichstrommotor wesentlich einfacher und robuster. Drehstrommotoren weisen jedoch eine feste Drehzahl und Momentencharakteristik auf. Daher waren sie lange Zeit für verschiedene spezielle Anlagen nicht einsetzbar. Drehstrommotoren sind elektromagnetische Energieumformer, d. h. sie wandeln elektrische Energie in mechanische Energie (motorisch) und umgekehrt (generatorisch) mittels der elektromagnetischen Induktion um.Das Prinzip der elektromagnetischen Induktion: In einem quer durch ein Magnetfeld (B) bewegten Leiter wird eine Spannung induziert. Befindet sich der Leiter in einem geschlossenen Stromkreis, fließt ein Strom (I). Auf den bewegten Leiter wirkt eine Kraft (F) senkrecht zum Magnetfeld und zum Leiter.a)Generatorprinzip (Induktion durch Bewegung): Beim Generatorprinzip erzeugen Magnetfeld und Bewegung eines Leiters eine Spannung (Abb. 33.1a).b)Motorprinzip: In Motoren wird das Induktionsprinzip in „umgekehrter Reihenfolge“ verwendet: Ein stromführender Leiter wird in dem Magnetfeld beeinflusst, der versucht, den Leiter aus dem Magnetfeld zu bewegen. Beim Motorprinzip erzeugen Magnetfeld und stromdurchflossener Leiter Bewegung (Abb. 33.1b).Das Magnetfeld wird im Motor mit einem feststehenden Teil (Stator) erzeugt. Die Leiter, die von den elektromagnetischen Kräften beeinflusst werden, befinden sich im rotierenden Teil (Rotor). Die Drehstrommotoren unterteilen sich in die beiden Hauptgruppen asynchrone und synchrone Motoren.

Herbert Bernstein

34. Netzformen und VDE-Bestimmungen

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 und 0411 festgelegten Vorschriften.Wegen des großen Energiebedarfs reicht für viele Anlagen und Geräte der Einphasenwechselstrom nicht mehr aus. Daher ist heute bei der Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie das leistungsfähigere Dreiphasenwechselstrom-System üblich. Es wird auch als Drehstromsystem bezeichnet und hat die drei Außenleiter L1, L2 und L3 sowie einen Neutralleiter N. Zwischen diesen Leitern lassen sich entsprechend Abb. 34.1 sechs Spannungen abnehmen, die in unserem Versorgungssystem die Größen 230 V bzw. 400 V haben.Beim Drehstromnetz weisen die drei Spannungen zwischen den Außenleitern die gleiche Frequenz von 50 Hz auf, die gleichen Effektivwerte von 400 V bzw. 230 V und den gleichen sinusförmigen Verlauf.Die Spannungen U 1N , U 2N und U 3N werden als Strangspannungen oder Sternspannungen bezeichnet, die Spannungen U 12 , U 23 und U 13 dagegen als Außenleiterspannungen oder Leiterspannungen. Das Verhältnis von Außenleiterspannung zur Sternspannung ist der Verkettungsfaktor des Drehstromsystems.Wohnhäuser, Wohnungen und Werkstätten werden in der Regel durch einen Vierleiter-Drehstromanschluss mit elektrischer Energie versorgt. Hierfür gibt es verschiedene Netzformen. Daraus ergeben sich drei grundlegend unterschiedliche Netzformen, TN-Netz, TT-Netz und IT-Netz. Die Buchstaben haben dabei nachfolgende Bedeutungen.

Herbert Bernstein

Grundlagen der Mechatronik

Frontmatter

35. Einleitung

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“.

Werner Roddeck

36. Modellbildung und Simulation

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.

Werner Roddeck

37. Sensoren und Aktoren

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.

Werner Roddeck

38. Entwicklung eines mechatronischen Systems

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.Diese Vorgehensweise der Entwicklung eines mechatronischen Systems soll durch das Beispiel eines einfachen Systems, das ein invertiertes Pendel enthält, nochmals verdeutlicht werden.In Abb. 38.1 ist die Problemstellung in mehreren Varianten dargestellt. Abb. 38.1a zeigt eine einfache technische Realisierung bei der ein gelenkig auf einem Wagen gelagerter Stab durch gezielte Vor- und Rückwärtsbewegungen in Richtung der Wegkoordinate x so ausbalanciert werden soll, dass die Stabneigung um den Winkel α möglichst klein bleibt und dadurch der Stab nicht umklappen kann. Für den Stab gibt es also nur eine dynamische Gleichgewichtsbedingung, ein statisches System wäre nicht stabil.

Werner Roddeck

Maschinenelemente

Frontmatter

39. Einführung in die Konstruktionsmethodik

Für die Entwicklung eines konkurrenzfähigen Produktes ist eine sehr gute Idee von entscheidender Bedeutung. Eine mittelmäßige Idee, konstruktiv gut umgesetzt reicht beim heutigen Verdrängungswettbewerb nicht mehr, um am Markt bestehen zu können. Rund 80% der Kosten eines Produktes werden in der Konstruktion festgelegt. Deshalb steht am Anfang einer Produktentwicklung immer eine intensive Ideenfindung. Der konstruktive Entwicklungsprozess ist dann weiter gegliedert in Planen und Klären der Aufgabe, Konzipieren, Entwerfen und Ausarbeiten.In der Konstruktionsmethodik oder auch Konstruktionslehre wird dieser Prozess strukturiert und erklärt. Es wird beschrieben, wie man eine Idee mit Schutzrechten sichert, verschiedene Entwürfe bewertet und wie man einfach eindeutig und sicher konstruiert.

Petra Linke, Frank Weidermann

40. Normzahlen, Toleranzen, Passungen

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 (siehe Teil Mathematik). Abb. 40.1 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 (Tab. 40.1). Der Stufensprungq ist das konstante Verhältnis einer Normzahl zur vorhergehenden. Der Buchstabe R weist auf Renard hin, der die Normzahlen entwickelt hat (Tab. 40.2).

Gert Böge, Wolfgang Böge

41. Praktische Festigkeitsberechnungen im Maschinenbau

Ziel aller Festigkeitsberechnungen ist die Ermittlung der vorhandenen Spannung und der Nachweis, dass ein konstruiertes Bauteil mit Sicherheit „hält“. Seine geforderte oder erwartete Tragfähigkeit muss unter allen denkbaren Umständen gewährleistet sein, es darf z. B. auch bei Dauerbelastung in der vorgeschriebenen Lebensdauer nicht brechen oder seine Form bleibend so verändern, dass es seine Funktion nicht mehr ausreichend erfüllt.Mit der Wahl des Werkstoffs liegen die Festigkeitsgrößen vor, z. B. die Zug-, Druck-, Biege- und Torsions-Wechselfestigkeit (σzW, σdW, σbW, τtW) oder die entsprechenden 0,2 %-Dehngrenzen (R$${}_{\text{p}\,0{,}2}$$). Zur Ermittlung der Gestaltfestigkeit werden Faktoren K in die Berechnung der SicherheitS D gegen Dauerbruch (Dauerhaltbarkeit) oder gegen bleibende Verformung (Fließgrenze) eingeführt, z. B. der Rauheitsfaktor K$${}_{\text{F}\sigma}$$ oder die Kerbwirkungszahl K f .Die dazu erforderlichen Rechnungsgänge, Methoden und Tabellen werden ausführlich behandelt in der FKM-Richtlinie: Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile, 6. erweiterte Ausgabe 2012, VDMA Verlag Frankfurt a. M.

Gert Böge, Wolfgang Böge

42. Klebverbindungen

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.

Gert Böge, Wolfgang Böge

43. Schweißverbindungen

Werden beim Fügen von Einzelteilen zu Baugruppen die Verbindungen durch Schweißen gefertigt, so ist der Konstrukteur weitreichenden Festlegungen unterworfen, wenn die Erzeugnisse dem durch staatliche Normen geregelten Bereich zuzuordnen sind (geregelter Bereich). Hierzu zählen Stahl-, Schienenfahrzeug-, Eisenbahnbrücken-, Schiff-, Behälter- und Rohrleitungsbau sowie Erzeugnisse im Bereich der Wehrtechnik. Weitgehend eigenverantwortlich und nur den „anerkannten Regeln der Technik“ verpflichtet ist dagegen der Maschinenbauer in seinen Entscheidungen bei der Wahl von Werkstoff, Schweißverfahren und der Berechnung der Schweißverbindungen (nicht geregelter Bereich).Der konstruktive Anschluss der zu schweißenden Teile wird in DIN EN ISO 17659 als Stoßart bezeichnet (Tab. 43.1). Die Stoßart hat wegen der verschiedenartigen Kraftumlenkungen insbesondere bei schwingender Beanspruchung einen wesentlichen Einfluss auf die Tragfähigkeit des Schweißbauteils.Die unmittelbare Gestaltung der Schweißstelle vor dem Schweißen (Fugenform) nimmt der Konstrukteur in Abhängigkeit von Stoßart, Blechdicke, Werkstoff und Schweißverfahren nach DIN EN ISO 2553 ggf. durch Nahtvorbereitung vor. Handelt es sich um in der Norm erfasste Schweißnähte, so kann ihre Bezeichnung in symbolischer Form nach Tab. 43.2 erfolgen.

Marcus Kampf

44. Nietverbindungen

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 (siehe auch Teil Festigkeitslehre).

Gert Böge, Wolfgang Böge

45. Schraubenverbindungen

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. Die gebräuchlichsten Profilformen zeigt Abb. 45.1.Metrisches ISO-Gewinde, DIN 13 Blatt 1; Gewindedurchmesser von 1 mm bis 68 mm; Anwendungen für Befestigungsschrauben und Muttern aller Art; Abmessungen siehe Tab. 45.8.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 usw.; Abmessungen siehe Tab. 45.9.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.

Gert Böge, Wolfgang Böge

46. Bolzen, Stiftverbindungen, Sicherungselemente

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.Bolzen ohne Kopf, DIN EN 22340 (Abb. 46.1a), Bolzen mit kleinem oder großem Kopf, DIN EN 22341 (Abb. 46.1b), werden als Gelenkbolzen verwendet, zum Beispiel bei Laschenketten, Stangenverbindungen und Ketten.Bolzen mit Gewindezapfen, DIN 1445 (Abb. 46.1c) und Senkbolzen mit Nase, (Abb. 46.1d) werden als festsitzende Lager- und Achsbolzen z. B. bei Laufrollen und Türscharnieren benutzt.Für die Bolzen wird als Toleranz h 11, für die Bohrung H 8 bis H 11 empfohlen, andere Toleranzen sind jedoch für besondere Fälle zulässig.Bolzenverbindungen werden normalerweise auf Biegung und Flächenpressung berechnet, die Abscherbeanspruchung ist meist vernachlässigbar klein.

Gert Böge, Wolfgang Böge

47. Federn

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.Die Federeigenschaften werden nach Kennlinien beurteilt. Diese zeigen die Abhängigkeit des Federwegs f (oder des Verdrehwinkels $$\varphi$$) von der Federkraft F (oder dem Federdrehmoment M) und können progressiv (ansteigend gekrümmt), gerade oder degressiv (abfallend gekrümmt) verlaufen (Abb. 47.1 und 47.2). Bei torsionsbeanspruchten Federn (z. B. Drehstabfedern im Fahrzeugbau) entspricht der Federkraft F das Federdrehmoment M und dem Federweg f der Verdrehwinkel $$\varphi$$.Federn aus Werkstoffen, für die das Hooke’sche Gesetz gilt, zeigen bei reibungsfreier Federung lineare (gerade) Kennlinien; Federweg f und Federkraft F sind proportional (siehe Teil Festigkeitslehre, Abschn. 15.1.2).Die Fläche unter der Kennlinie stellt die Federungsarbeit W dar.

Gert Böge, Wolfgang Böge

48. Achsen, Wellen, Zapfen

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.

Gert Böge, Wolfgang Böge

49. Nabenverbindungen

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 der Welle und dem angeschlossenen Maschinenelement zur Weiterleitung des Drehmoments heißt Nabenverbindung. Die Nabe ist der Teil des Zahnrads, der Scheibe oder des Hebels, der die Drehmomentenübernahme von der Welle zu gewährleisten hat. Technische Bauteile können Kräfte und Drehmomente durch den Reibungseffekt zwischen festen Körpern, durch das Ineinandergreifen 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.Die eine Gruppe umfasst alle Nabenverbindungen, die durch Haftreibung zwischen Welle und Nabe das zu übertragende Drehmoment weiterleiten. Das sind die kraftschlüssigen oder reibungsschlüssigen Verbindungen. Zur zweiten Gruppe gehören diejenigen Nabenverbindungen, bei denen Welle und angeschlossenes Bauteil ineinander greifen. Das sind die formschlüssigen Verbindungen.Die bekanntesten kraftschlüssigen Nabenverbindungen sind: zylindrische oder keglige Pressverbindungen (Presssitzverbindungen), Klemmsitzverbindungen, Keilsitzverbindungen und Spannverbindungen.Zu den formschlüssigen Nabenverbindungen gehören: Stiftverbindungen, Passfederverbindungen und Profilwellenverbindungen.

Gert Böge, Wolfgang Böge

50. Kupplungen

Hauptaufgabe der Kupplungen ist das Weiterleiten von Rotationsleistung $$\textit{P}=M\omega$$. Als Zusatzaufgabe kann das Schalten des Drehmoments M hinzukommen oder die Verbesserung bestimmter dynamischer Eigenschaften. Entsprechend unterteilt man die Kupplungen in:

Gert Böge, Wolfgang Böge

51. Lager

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), Abb. 51.1.

Gert Böge, Wolfgang Böge

52. Zahnräder

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.Zahnradgetriebe-Grundformen:1.Stirnradgetriebe (Abb. 52.1a bis c) bei parallelen Wellen (i$${}_{\text{max}}\approx 8$$ je Stufe),2.Kegelradgetriebe (Abb. 52.1d) bei sich schneidenden, auch sich kreuzenden Wellen (i$${}_{\text{max}}\approx 6$$),3.Schneckengetriebe (Abb. 52.1e) bei sich kreuzenden Wellen (i$${}_{\text{min}}\approx 5$$ bis i$${}_{\text{max}}\approx 60$$, Ausnahme: $$\textit{i}\geq 100$$),4.Schraubradgetriebe (Abb. 52.1f), ebenfalls bei sich kreuzenden Wellen (i$${}_{\text{max}}\approx 5$$).Die Übersetzung eines Zahnradpaars ist $$\begin{aligned}\displaystyle\textit{i}=\textit{n}_{1}/\textit{n}_{2}=\omega_{1}/\omega_{2}=\textit{r}_{2}/\textit{r}_{1}=\textit{z}_{2}/\textit{z}_{1}\end{aligned}$$n Drehzahl, ω Winkelgeschwindigkeit, r Teilkreisradius, z Zähnezahl; Index 1 bezogen auf antreibendes, Index 2 auf angetriebenes Rad. Gleichmäßiger Lauf beider Räder setzt i = konstant voraus (Ausnahme: Ellipsenräder, die Getriebe mit veränderlichem i ergeben).

Gert Böge, Wolfgang Böge

Fördertechnik

Frontmatter

53. Überblick über das Gesamtgebiet der Fördertechnik

Unter Fördertechnik versteht man die Technik des Fortbewegens von Gütern, und auch von Personen, in beliebiger Richtung, über begrenzte Entfernungen. Die Förderung kann also senkrecht (z. B. Krane, Aufzüge), waagerecht oder schräg (z. B. Förderbänder, Rolltreppen) erfolgen. Die Fördertechnik behandelt fast immer Aufgaben des innerbetrieblichen Transportes (Rollenbahnen, Gabelstapler, Förderbänder). Dabei werden bei Förderbändern im Tagebergbau bis zu 20 km Förderstrecke erreicht.Als Fördermittel werden die einzelnen Fördermaschinen bezeichnet, mit denen das Material (oder die Personen) bewegt werden. So sind Krane und Hängebahnen z. B. Fördermittel, ebenso wie Flurförderzeuge (z. B. Gabelstapler) oder Rollenbahnen. Wesentliche Aufgaben der Fördermittel sind Fördern (Transportieren), Verteilen, Sammeln und Lagern von Material.Von Materialflusstechnik spricht man, wenn Fördermittel zu komplexen Systemen verbunden werden, in welchen zusätzlich zu fördertechnischen Aufgaben auch andere Aufgaben übernommen werden, wie z. B. Materialbearbeitung/-montage/-prüfung, Mischen/Dosieren oder Verpacken/Versenden. Beispiele sind Hochregalanlagen für Halb- und Fertigprodukte, Distributionszentren, integrierte Produktionssysteme und verfahrenstechnischen Anlagen. Materialflusstechnik ist also die Verkettung aller Vorgänge beim Gewinnen, Be- und Verarbeiten sowie bei der Verteilung von Gütern innerhalb festgelegter Bereiche.Die Materialflussautomatisierung befasst sich folgerichtig mit der automatischen Ablaufsteuerung des gesamten Materialflusses.

Johannes Sebulke

54. Die Baukastensystematik in der Fördertechnik

In der Fördertechnik wird kaum ein größerer Einsatzfall so dem anderen gleichen, dass man zwei Anlagen nach denselben Zeichnungen fertigen kann. Konstruktionszeiten, Rüst- und Umstellungszeiten der Fertigung sind hoch; der Kunde muss bei Einzelanfertigung lange Lieferzeiten in Kauf nehmen. In der Fördertechnik haben sich daher Baukastenprinzip, Standardisierung und die Konstruktion von Erzeugnisreihen weitgehend durchgesetzt.Baukastenprinzip heißt, dass ein Erzeugnis so lange nach Abb. 54.1 in Baugruppen, Untergruppen und Einzelteile „aufgelöst“ wird, bis die Erzeugnisteile genügend oft verwendet und daher in Serie gefertigt werden können. Natürlich müssen die einzelnen Baugruppen miteinander kombinierbar sein. Der Konstrukteur kann dann die vom Kunden gewünschte Lösung weitgehend aus vorhandenen „Bausteinen“ zusammensetzen.Standardisierung von Erzeugnissen oder Bauteilen bedeutet, dass man das Erzeugnis oder das Bauteil nicht mehr für jeden speziellen Einsatzfall neu auslegt, sondern das Erzeugnis nur in einigen häufig vorkommenden, oft genormten Größen fertigt. Der Kunde kann sich dann z. B. ein kostengünstiges, in Serie gefertigtes Laufrad nach Liste aussuchen, und braucht sich kein teures in Einzelfertigung herstellen zu lassen.

Johannes Sebulke

55. Bauelemente der Fördertechnik

Es sind dies im wesentlichen Elemente der Seiltriebe, der Kettentriebe und Lastaufnahmeeinrichtungen.SeileundKetten können nur Zugkräfte aufnehmen. In den meisten Fällen wählt man als Zugorgane Seile wegen ihrer hohen Zugfestigkeit, Preisgünstigkeit und Sicherheit gegen plötzlichen Bruch. Ketten kommen als Huborgan wegen ihres hohen Eigengewichts nur für begrenzte Hubhöhen (bis ca. 10 m) in Frage. Man verwendet sie, wo Seile zu empfindlich sind (z. B. beim Eintauchen von Lasten in Bäder, bei starker Verschmutzung wie in Kettenkratzförderern), oder wo es auf geringe Umlenkradien ankommt (kompakte Kleinhebezeuge). Das Hauptanwendungsgebiet der Ketten in der Fördertechnik ist die Zugübertragung beim Antrieb von Fördermaschinen (z. B. Kreisförderer, Plattenförderer).

Johannes Sebulke

56. Antriebe

Alle Antriebsarten, wieHandantriebElektromotorenPneumatische AntriebeHydraulische AntriebeVerbrennungsmotorenDampfmaschinenwerden in der Fördertechnik verwendet. Ihre Auswahl richtet sich nach den jeweiligen Betriebsbedingungen und den lokalen Möglichkeiten (z. B. Stromanschluss).Zwischen Antriebsmotor und der angetriebenen Welle ist in der Regel ein mechanisches Getriebe oder ein hydraulischer Drehmomentwandler zwischengeschaltet, um die Drehzahl zu mindern und das Antriebsmoment zu erhöhen (Hand-, Elektro-, Verbrennungsmotor-, pneumatische Antriebe). Bei Verbrennungsmotoren muss zusätzlich eine betriebsmäßig lösbare Kupplung zwischengeschaltet werden, da diese Motoren nicht aus dem Stand heraus unter Last anlaufen können. Dampfmaschinen arbeiten in der Regel direkt auf die anzutreibende Welle. Bei hydrostatischen Antrieben bilden Hydraulikpumpe und Hydraulikmotor zusammen ein „hydraulisches Getriebe“, das Drehzahl und Drehmoment wandelt (siehe Abschn. 56.4).

Johannes Sebulke

57. Steuerungen in der Fördertechnik

Direkte Steuerungen durch elektrische Drucktaster oder Hydraulikhebel werden in einfachen Fällen angewandt, so z. B. bei Kranen in der Endmontage im Maschinenbau oder bei Ladekranen an Lkw.In vielen Fällen sind die Förderelemente oder -maschinen in Fördersysteme eingebunden, so dass die einzelnen Förderbewegungen aufgrund vielfältiger Bedingungen und Sensorsignale erfolgen müssen. Deshalb ist die elektronische Steuerung bei einer Förderanlage die Regel. Der Einsatz der Elektronik kann dabei zwei verschiedene Schwerpunkte haben, und zwar:a)die genaue VorgabederFörderbewegung für jedes zu fördernde Teil. Beispiele sind Warensortieranlagen (Kap. 62, Abb. Abb. 62.6) oder automatische Regallager (Kap. 60, Abb. Abb. 60.13), bei denen die Förderbewegungen je Teil von einem Leitrechner nach bestimmten Kriterien vorbestimmt werden. Hier werdenAblaufsteuerungen eingesetzt.b)die guteDosierbarkeitderFörderbewegung durch den Bediener. Dies ist besonders in der Mobilhydraulik wichtig. Der Bediener eines Autokrans will die Förderbewegung z. B. eines zu montierenden Windkraftpropellers selbst millimetergenau bestimmen. Er will dies feinfühlig und sicher tun, ohne sich um den Kran, den Motor oder Einzelheiten der Hydraulik kümmern zu müssen.Hier kommen spezielle Mikroprozessorsteuerungen zum Einsatz.

Johannes Sebulke

58. Bremsen und Rücklaufsperren

Bremsen sind in der Fördertechnik Geräte zur Reduzierung der Fördergeschwindigkeit. In Hebezeugen haben Bremsen z. B. die Aufgabe, die Senkgeschwindigkeit der Last auf den gewünschten Wert zu vermindern (Stillstand oder begrenzte Senkgeschwindigkeit), wenn der Antrieb abgeschaltet wird. Rücklaufsperren haben die Aufgabe, ein Rückdrehen der Sperrwelle gegen Antriebsrichtung von vornherein auszuschließen.

Johannes Sebulke

59. Hebezeuge

Unter dem Sammelbegriff „Handhebezeuge“ werden solche Kleinhebezeuge zusammengefasst, die meist Handantrieb haben, aber auch mit Motorantrieb ausgeführt sein können. Handhebezeuge erfüllen vielfältige Aufgaben in Montage, Reparatur und in Fällen, wo große Lasten nur selten zu heben sind (Abschn. 56.1).Die gebräuchlichsten Kleinhebezeuge einfacher Art sind Winden:Zahnstangenwinden – genormte Bauweise für 1,5 t, 3 t, 5 t, 10 t, 15 t und 25 t Tragfähigkeit (Abb. 59.1).Schraubenwinden – die Last wird durch eine Schraubenspindel gehoben.Die Betätigung erfolgt mit einem Handhebel, oft unter Zwischenschaltung einer Ratsche. Bei Teleskopwinden sind mehrere Schraubenspindeln ineinandergebaut. Die Tragfähigkeit beträgt bis ca. 6000 kg.Hebeböcke – für schwere Lasten von 20–300 t. Die Last wird hydraulisch oder durch Spindeln angehoben bei Hubhöhen bis zu ca. 3 m.Handhebezeuge sind ferner Kettenhebezeuge mit Flaschenzügen nach Abb. 59.2. In allen Fällen, in denen Kettenhebezeuge häufiger gebraucht werden, werden Elektroantriebe verwendet.Elektroseilzüge, meist kurz „Elektrozüge“ genannt, sind Hebemaschinen nach Abb. 59.3 und Abb. 59.5, bei denen die Baugruppen Seiltrommel, Getriebe, Antriebsmotor und Bremse in einer kompakten Einheit kombiniert sind.Elektrozüge werden durchweg nach dem Baukastenprinzip in vielen Varianten hergestellt (Abb. 59.4), und werden angepasst an die geforderte Traglast, Hubgeschwindigkeit und die Betriebsbedingungen geliefert (vgl. Abschn. 59.2.2).

Johannes Sebulke

60. Krane und Hängebahnen

Fest aufgehängte Hebezeuge können die Last nur auf einer senkrechten Linie zwischen oberster und unterster Hakenstellung befördern. Hebezeuge, die an einer verfahrbaren Katze befestigt sind, können die senkrechte Fläche unter der Fahrschiene bedienen. Krane der verschiedensten Bauarten können einen dreidimensionalen Raum bedienen.Durch den Wandschwenkkran nach Abb. 60.1 z. B. kann eine Last gehoben, sowie zu jedem Punkt innerhalb des gezeichneten Halbkreisraumes transportiert werden, der nach oben von der obersten Hakenstellung begrenzt wird.

Johannes Sebulke

61. Flurförderzeuge

Als Flurförderzeuge bezeichnet man Fahrzeuge wie Karren oder Schlepper und Gabelstapler, die keine eigene Transportebene besitzen, wie z. B. Krane oder Kreisförderer, sondern die auf dem normalen Fußboden (= Flur) verfahren werden. Flurförderer verlangen daher meist nur vergleichsweise geringe Anlageinvestitionen.Flurförderzeuge kann man einteilen in angetriebene und nicht angetriebene, in gleisgebundene und gleislos verfahrbare, in Flurförderzeuge für reine Transportaufgaben (Wagen) und solche mit eigenen Lastaufnahmeeinrichtungen und Zusatzfunktionen (Gabelstapler), in handbediente (z. B. Elektrowagen) und automatisch gesteuerte (z. B. durch im Boden verlegte Induktionsleitungen).Die Flurförderzeuge ohne Eigenantrieb können durch Hand- oder Schleppkettenantrieb oder durch Schlepper fortbewegt werden. Für kurze Entfernungen (bis 50 m Förderweg), kleine Lasten (bis 1 t) und zeitlich ungeregelt anfallende Transporte verwendet man von Hand gezogene oder geschobene Fahrzeuge. Nach DIN 4 902 unterscheidet man Karren, Wagen und Roller.

Johannes Sebulke

62. Stetigförderer für Stückgut

Stetigförderer, mit denen Stückgüter befördert werden können, sind Rutschen und Gliederbandförderer sowie Rollenförderer und Kreisförderer.

Johannes Sebulke

63. Unstetigförderer für Stückgut

Schon ein Schubkarren zeigt die typischen Merkmale eines Unstetigförderers 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 Unstetigförderer für den innerbetrieblichen Massenguttransport im Tagebau und an Großbaustellen angesprochen werden. Beim Stichwort Massenguttransport denkt man erst einmal an die Stetigförderer (Kap. 64), und hier besonders an die Förderbandanlagen im Braunkohlentagebau oder bei Massengutumschlagsanlagen (Abb. Abb. 64.2, Kap. 64). Wenn aber entweder der Beladeort oder der Entladeort zu oft wechseln, oder sich durch den Abbau ständig verändern, dann müssen auch hier Unstetigförderer 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 innerbetrieblichen Unstetigförderer auch unter der EN ISO 6165:2013-02 (D) – Erdbaumaschinen subsumiert [Häfner(2014)]. Je nach Transportentfernung unterscheidet man hier Radlader („Load & Carry“) und Muldenkipper, und bei letzteren wiederum Schwer-Lkw und Dumper [Eymer et al.(2012)].

Johannes Sebulke

64. Stetigförderer für Schüttgut

Als Stetigförderer bezeichnet man Fördermaschinen für Schütt- oder Stückgüter, die kontinuierlich (= stetig) Fördergüter auf vorher festgelegten Wegen befördern können. Stetigförderer haben also keine Arbeitsspiele, wie z. B. Krane oder Bagger, die nach dem Absetzen der Last leer zurückfahren müssen, um die nächste Last aufzunehmen. Förderbänder und Rolltreppen sind Beispiele für typische Stetigförderer, Greifer- und Aufzugsanlagen sind typische Unstetigförderer. Becherwerke zählen zu den Stetigförderern, da sie durch den engen Becherabstand und die kontinuierlich laufenden Antriebe einen fast gleichmäßigen Förderstrom erzeugen. Stetigförderer sind aber auch alle Förderer, die Rohrleitungen benutzen, um flüssige, gasförmige oder feste Stoffe zu fördern, wie Pipelines oder pneumatische Förderer.Stetigförderer finden überall dort wirtschaftlich Verwendung, wo große Mengen etwa gleichartiger Fördergüter auf gleichbleibenden Wegen gefördert werden müssen. Die Fördermenge je Zeiteinheit (Förderstrom) ist bei Stetigförderern unabhängig von der Förderlänge, wenn der Anlaufvorgang einmal abgeschlossen ist.

Johannes Sebulke

Kraft- und Arbeitsmaschinen

Frontmatter

65. Dampfturbinen

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. Die Druckminderung von p 1 auf p 2 entspricht einer Enthalpieänderung von $${\Updelta}h=h_{1}-h_{2}$$ in kJ/kg. Aus der Beziehung $$E_{\text{pot}}=E_{\text{kin}}$$ erhält man mit m = 1 kg die Gleichung $${\Updelta}h=c_{\text{S}}^{2}/2$$ und daraus die theoretische Dampfgeschwindigkeit am Düsenaustritt $$c_{\text{s}}=\sqrt{2\,\Updelta h}$$ in m/s. Die Reibung des Dampfes an den Düsenwandungen verringert die Dampfgeschwindigkeit. Düsenreibzahl $$\varphi=0{,}93$$ bis 0,98. Zusammengefasst wirkt am Düsenaustritt die Dampfgeschwindigkeit 65.1$$c=\varphi\sqrt{2\,\Updelta h}\qquad\begin{array}[]{c|c|c}c&{\Updelta}h&\varphi\\ \hline\dfrac{\text{m}}{\text{s}}&\dfrac{\text{J}}{\text{kg}}=\dfrac{\text{Nm}}{\text{kg}}=\dfrac{\text{m}^{2}}{\text{s}^{2}}&1\end{array}$$Die Enthalpiewerte h 1 und h 2 entnimmt man der Dampftafel (Tab. 65.1), nämlich h 1 für p 1 , T 1 und h 2 für p 2 , $$T_{2}=\textit{T}_{1}(p_{1}/p_{2})^{\frac{\kappa-1}{\kappa}}$$.

Wolfgang Böge

66. Wasserturbinen

Gestaut wird durch Wehr oder Staumauer, wodurch nutzbarer Höhenunterschied der Energielage des Wassers entsteht. Diese Höhendifferenz wirkt als Wasserdruckgefälle in der Turbinenanlage.Flussanlagen haben meist kleine Höhendifferenz und sind daher Niederdruckanlagen. Das Wasser fließt vom Einstaugebiet oberhalb des Wehrs durch den Obergraben zur Turbine und danach in den Untergraben ab. Bei natürlichen Gräben wird je nach Bodenbeschaffenheit 0,2 bis 1,0 m/s Zulaufgeschwindigkeit im Obergraben gewählt. Gemauerte oder betonierte Kanäle gestatten größere Werte, jedoch ist dann der größere Fallhöhenverlust zu beachten. Rechen und Kiesfang sorgen für Wasserreinheit. Überläufe (Übereich) vermeiden Überschwemmung bei Hochwasseranfall. Turbine und Obergraben können für Reparatur oder Kontrolle durch Haupt- und Leerlaufschütze wasserfrei gemacht werden. Abb. 66.1 zeigt ein Anlagebeispiel.Bei Flussanlagen im Flachgelände liegt die Turbinenkammer direkt am Wehr ohne Obergraben. Wenn nötig, erhalten die Stauanlagen eine Schleusenkammer für den Schiffsverkehr mit Ober- und Unterkanal, wie im Anlagebeispiel vom Abb. 66.2 zu erkennen ist.

Wolfgang Böge

67. Windkraftanlagen

Windturbinenanlagen nutzen die kinetische Energie des Windes bei Geschwindigkeiten von $$\textit{c}=4\,\mathrm{m/s}$$ bis 25 m/s in Nabenhöhe des Windrades zur Stromerzeugung. Die oben genannten Windgeschwindigkeiten liegen im Grenzschichtbereich der ebenen Strömung (Abb. 67.1), die bei Höhen von $$\textit{h}=100$$ m bis 1000 m liegen und in Großstädten mit Skylines bis 2000 m. Die größten Windturbinentürme erreichen gegenwärtig Nabenhöhen von $$\textit{h}=160$$ m und Windraddurchmesser von $$\textit{d}=130$$ m, d. h. mit Flügellängen von $$\textit{L}=65$$ m. Die Windturbinen werden vorrangig mit 3 Schaufeln ausgeführt. Windturbinen mit einer und zwei Schaufeln waren Versuchsgeräte. Die Drehzahl von Windturbinen für Leistungen von $$P_{\text{T}}=2$$ MW betragen $$\textit{n}=12$$ bis 20 min$${}^{\hbox{-}1}$$. Das Windrad entzieht dem Wind mit der Anströmgeschwindigkeit c 1 nach Betz die Geschwindigkeitsdifferenz $$c_{2}=(2/3)\,\textit{c}_{1}$$. Der Rest der Windgeschwindigkeit wird für die Abströmung des Windes im Leebereich $$c_{3}=\textit{c}_{1}/3$$ benötigt. Durch den Entzug der Geschwindigkeit im Laufrad bläht sich der Abströmdurchmesser auf $$d_{3}> \textit{d}_{1}$$ auf, der bei der Installation von Windturbinen zu beachten ist (Abb. 67.2) [Gasch und Twele(2013)]. Um die Windturbinen bei starkem Wind von c$${}_{1}> 25$$ m/s zu schützen, werden die Laufschaufeln durch Pitch- oder Stall-Anlagen aus dem Wind gedreht, so dass die Strömung an den Schaufeln abreißt und das Windrad in die Ruhestellung gelangt. Bei der Windgeschwindigkeit $$c_{1}=25$$ m/s bis 34 m/s wird der Windrotor abgeschaltet. Die zulässige Maximalgeschwindigkeit liegt aus Festigkeitsgründen etwa bei . Die aktive Blattverdrehung (Pitchregelung) stellt eine Blattwinkelregelung dar, wobei die Profilnase in die Anströmung gedreht wird. Sie benötigen für die Drehzahlreduzierung keine mechanische Bremse.

Dominik Surek

68. Pumpen

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 $$\dot{V}$$, Förderhöhe H und Drehzahl entsprechend Abb. 68.1 als Hubkolbenpumpen, Membranpumpen, Drehkolbenpumpen, Ein- und Mehrspindelpumpen, Exzenterschneckenpumpen und Kreiselpumpen gebaut. Die Kreiselpumpen werden als Radial-, Diagonal- oder Axialpumpen und als Seitenkanalpumpen (Abb. 68.26) gebaut.In allen Pumpen wird eine mechanische Arbeit $$\smash{\dot{E}}=\dot{m}\,Y=\rho\,\dot{V}\,Y=\dot{V}\,\Updelta p=g\,\rho\,\dot{V}\,H$$ an das Fluid als hydraulische Energie $$\dot{V}\,\Updelta p$$ übertragen. Diese übertragene hydraulische Energie bzw. die Hauptparameter sind von der Pumpenbauart abhängig. In Abb. 68.2 ist das Kennfeld der Pumpenbauarten in Abhängigkeit des Volumenstroms $$\dot{V}$$, und der Förderhöhe bzw. der Druckerhöhung p D angegeben. Dabei entspricht die Förderhöhe von 10 m für Wasser mit der Dichte von $$\rho=10^{3}\,\mathrm{kg/m}^{3}$$ einem Druck von $$p_{0}=g\,\rho\,H=98{,}1\,\mathrm{kPa}$$.

Dominik Surek

69. Verdichter

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, Ein- und Doppelzahnverdichter und Flüssigkeitsringverdichter (Abb. ).Verdichter werden im Druckbereich oberhalb des Umgebungsdruckes bis $$\textit{p}=400$$ MPa und unterhalb der Atmosphärenlinie als Vakuumverdichter bis zu Drücken von $$\textit{p}=10^{-12}$$ Pa eingesetzt.Die Verdichtung der Gase erfolgt bei polytroper Zustandsänderung mit Temperaturerhöhung und erfordert deshalb eine Nachkühlung oder bei mehrstufiger Verdichtung eine Zwischenkühlung.Idealisierte Verdichtungsvorgänge können isentrop ($$\textit{s}=\text{konst.}$$) oder adiabat oder isotherm ($$\textit{T}=\text{konst.}$$) erfolgen.Hubkolbenverdichter erfordern Triebwerksanordnungen bestehend aus der Kurbelwelle, der Kolbenstange oder einer Pleuelstange und Kolbenstange und dem Kolben, der in einem Zylinder mit den Saug- und Druckventilen arbeitet. Das Triebwerk kann stehend oder liegend angeordnet werden. In Abb. 69.2 sind einige stehende und liegende Triebwerksanordnungen dargestellt. Es sind die Ein- und Mehrzylinderanordnungen in Reihen-, V- oder W-Bauart.Der Verdichtungsvorgang in einem Hubkolbenverdichter verläuft zyklisch mit folgenden vier Arbeitsabläufen.

Dominik Surek

70. Verbrennungsmotoren

Das Kapitel „Verbrennungsmotoren“ gibt eine Einführung in das wichte und große Gebiet der Verbrennungsmotoren. Leserinnen und Lesern, die noch nie etwas über Verbrennungsmotoren gehört haben, wird empfohlen, zunächst den Abschnitt 1 zu lesen. Dieser ist bewusst einfach und anschaulich geschrieben, um den Zugang zum Thema zu erleichtern. Danach können gezielt weitergehende Informationen in den Abschnitten 2 bis 9 studiert werden. Diese Abschnitte wurden so verfasst, dass man sie nicht nacheinander lesen muss. Grundlage ist jeweils nur der Abschnitt 1. Dieser selbst ist so verfasst, dass das Wichtigste ganz am Anfang steht. Je weiter hinten man in diesem Abschnitt ankommt, umso spezieller werden die Themen. Bei nur begrenztem Interesse an dem Thema Verbrennungsmotoren kann man das Lesen des Abschnitts 1 jederzeit abbrechen und hat trotzdem das bis dahin Wichtigste erfahren.

Klaus Schreiner

Spanlose Fertigung

Frontmatter

71. Urformen

Unter Urformen versteht man das Fertigen eines festen Körpers aus formlosem Stoff. Formlose Stoffe sind Gase, Flüssigkeiten, Pulver, Granulate und Späne.

Wolfgang Böge

72. Trennen und Umformen

Aus den Halbzeugen Blech und den ähnlichen Halbzeugen Blechband und Flachmaterial lassen sich vielgestaltige Maschinen- und Gerätebauteile herstellen. Die gewünschte Größe der Bauteile erhält man durch Zerteilen (Trennen). Man zerteilt durch: Scherschneiden, Keilschneiden mit den Untergruppen Messerschneiden und Beißschneiden, Reißen, Brechen (Tab. 72.1). In der industriellen Fertigung wird Scher- und Messerschneiden zum Abschneiden mit offener Schnittlinie, Ausschneiden, Lochen mit geschlossener Schnittlinie am häufigsten angewendet. Durch Umformen werden Form, Oberfläche und Werkstoffeigenschaften eines Werkstücks gezielt verändert. Dabei bleiben Masse und Stoffzusammenhang bestehen (Übersicht über Umformverfahren in Tab. 72.5).DIN 8588 legt fest: Scherschneiden (kurz Schneiden) ist Zerteilen von Werkstoff zwischen zwei Schneiden, die sich aneinander vorbeibewegen und bei dem der Werkstoff voneinander abgeschert wird. Messerschneiden ist Keilschneiden mit einer Schneide, deren Keil den Werkstoff auseinanderdrängt.

Wolfgang Böge

73. Verbindende Verfahren

Einzelteile werden zu Baugruppen lösbar oder unlösbar gefügt. Zum lösbaren Fügen erforderliche Verbindungsmittel wie Schrauben, Bolzen oder Keile sind im Teil Maschinenelemente erläutert. In der Regel lassen sich lösbare Verbindungen ohne Schädigung der Einzelteile oder der Verbindungsmittel wiederholt trennen und fügen.Durch Schweißen, Löten, Kleben, Nieten oder Falzen entstehen unlösbare Verbindungen, deren Trennen das Zerstören der Einzelteile oder Verbindungsmittel erfordert.

Marcus Kampf

Zerspantechnik

Frontmatter

74. Drehen und Grundbegriffe der Zerspantechnik

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 (Abb. 74.1). Schnitt- und Vorschubbewegung können sich aus mehreren Komponenten zusammensetzen, z. B. die Vorschubbewegung beim Drehen eines Formstücks aus Längs- und Planvorschubbewegung.Bei einem Einstellwinkel $${\kappa}=45^{\circ}$$ ist das Verhältnis der Kräfte etwa $${F}_{\text{c}}\colon{F}_{\text{p}}\colon{F}_{\text{f}}=5\colon 2\colon 1$$.Beim Drehen führt die umlaufende Bewegung des Werkstücks zur Schnittbewegung, die geradlinige (fortschreitende) Bewegung des Werkzeugs zur Vorschubbewegung. Die resultierende Bewegung aus Schnitt- und Vorschubbewegung heißt Wirkbewegung: sie führt zur Spanabnahme, beim normalen Drehen zur stetigen Spanabnahme. Die eingestellte Schnitttiefe a p bleibt dann bei einem Arbeitsvorgang konstant und damit auch der eingestellte Spanungsquerschnitt$${A}={a}_{\text{p}}\,f$$ (Abb. 74.2). Diese günstigen Schnittbedingungen führten zu umfangreichen Forschungsergebnissen, die zum großen Teil auch auf andere Zerspanvorgänge übertragen werden können. Drehen wird deshalb hier ausführlich behandelt.

Wolfgang Böge

75. Hobeln und Stoßen

Im Gegensatz zum Drehen ist die Schnittbewegung bei Maschinen mit hin- und hergehender Bewegung nichtgleichförmig (Hobel-, Stoß- und Räummaschinen). Die mittlereRücklaufgeschwindigkeitv mr ist meist größer als die mittlereGeschwindigkeitbeimArbeitshubv ma , z. B. beim Antrieb durch die schwingende Kurbelschleife ($${v}_{\text{m}}\colon{v}_{\text{ma}}$$ etwa 1,4–1,8).Außerdem sind die Geschwindigkeiten in Hubmitte größer als gegen Ende des Hubes. Beschleunigung und Verzögerung durch Umsteuern und An- und Auslauf sind besonders bei kleinen Hublängen zu berücksichtigen. Es wird mit der mittlerenGeschwindigkeitv m gerechnet: 75.1$$v_{\text{m}}=2\frac{v_{\text{ma}}v_{\text{mr}}}{v_{\text{ma}}+v_{\text{mr}}}$$ Mit n = Anzahl der Doppelhübe je min (DH/min) und $$L=\text{Hubl{\"a}nge}$$ in mm ergeben sich außerdem die zugeschnittenen Größengleichungen: 75.2$$\begin{aligned}\displaystyle v_{\text{m}}&\displaystyle=\frac{2Ln}{1000}\\ \displaystyle n&\displaystyle=\frac{v_{\text{m}}1000}{2L}\qquad\begin{array}[]{c|c|c}{v}_{\text{m}}&{L}&{n}\\ \hline\dfrac{\text{m}}{\text{min}}&\text{mm}&\text{min}^{-1}\\ \end{array}\end{aligned}$$

Wolfgang Böge

76. Räumen

Verzahnte stangenförmige (Innenräumer, Räumnadel) oder plattenförmige (Außenräumer) Werkzeuge, deren Zähne vom Anschnitt nach hinten ansteigen, werden durch die Bohrung des Werkstückes gezogen, gestoßen oder an der Außenfläche des Werkstücks vorbeibewegt. Dadurch wird am vorgearbeiteten Werkstück das gewünschte Innen- oder Außenprofil mit vorgeschriebener Maßtoleranz (meist ISO-Qualität 7) und Oberflächengüte hergestellt. Die Vorschubbewegung entfällt, sie liegt durch die Konstruktion des Werkzeugs fest. Das Profil wird meist in einem Hub gewonnen; nur bei sehr großer Spantiefe wird die gesamte Zerspanarbeit auf mehrere Werkzeuge aufgeteilt.Bei schraubenförmigem Profil (Steigungswinkel = 45 bis 90$${}^{\circ}$$) kreisen Werkzeug oder Werkstück beim Durchziehen. Bei Steigungswinkeln von 45–70  ist eine zwangsläufige Drehung erforderlich, darüber hinaus kann ohne zwangsläufige Drehung geräumt werden.Eine Räumnadel mit festen Zähnen nach DIN 1415 zeigt Abb. 76.1. Das Werkzeug wird am Schaft vom Zugorgan der Räummaschine aufgenommen und in der Ringnute verriegelt. Der Zubringerkopf der Maschine nimmt das Endstück auf. Die Aufnahme am Werkzeug zentriert das Werkstück, das Führungsstück führt es beim Durchgang der letzten Schneiden.Die Zähne der Räumnadel sind wie Fräserzähne ausgebildet (Abb. 76.2); ebenso wie dort müssen große, gut gerundete Spankammern die Aufnahme des Spanvolumens ohne Zwängen sichern, da freier Spanablauf selten möglich ist. Das Spanvolumen ist mindestens dreimal größer als das Ursprungsvolumen.

Wolfgang Böge

77. Fräsen

Es gelten die unter Kap. 74 Drehen dargelegten Grundbegriffe der Zerspantechnik in Verbindung mit den Abb. 77.1, 77.2 und 77.6. Beim Fräsen führt die umlaufende Bewegung des Werkzeugs (des Fräsers) zur Schnittbewegung mit der Schnittgeschwindigkeitv c und die geradlinige (fortschreitende) Bewegung des Werkstücks (des Tischs) zur Vorschubbewegung mit der Vorschubgeschwindigkeitv f . Die resultierende Bewegung ist wieder die Wirkbewegung mit der Wirkgeschwindigkeitv e (Abb. 77.6); sie führt zur Spanabnahme und ist die momentane Geschwindigkeit des betrachteten Schneidenpunkts in Wirkrichtung.Im Gegensatz zum Drehen mit $${\varphi}=90^{\circ}$$ ändert sich beim Fräsen der Vorschubrichtungswinkel$${\varphi}$$ während des Schneidvorgangs des einzelnen Zahns laufend (Abb. 77.1 und 77.2). Beim Gegenlauffräsen ist $${\varphi}<90^{\circ}$$, beim Gleichlauffräsen dagegen ist $${\varphi}> 90^{\circ}$$, wie Abb. 77.6 deutlich zeigt. Der Wirkrichtungswinkel η ist wieder der Winkel zwischen Wirk- und Schnittrichtung. Im allgemeinen Fall ($${\varphi}\lessgtr 90^{\circ}$$), wie beim Fräsen ist 77.1$$\eta=\arctan\frac{\sin\varphi}{\frac{v_{\text{c}}}{v_{\text{f}}}+\cos\varphi}$$ Beim Drehen ist $${\varphi}=90^{\circ}$$ und damit $${\eta}=\arctan{v}_{\text{f}}/{v}_{\text{c}}$$ (siehe Drehen). Auch beim Fräsen ist in den meisten Fällen das Verhältnis $${v}_{\text{f}}/{v}_{\text{c}}$$ so klein, dass mit $$v_{\text{e}}=v_{\text{c}}$$ gerechnet werden kann.

Wolfgang Böge

78. Bohren

Die umlaufende Bewegung des Werkzeugs führt zur Schnittbewegung, seine in Achsrichtung fortschreitende Bewegung ergibt die Vorschubbewegung. Beide Bewegungen stehen wie beim Drehen unter dem Vorschubrichtungswinkel$${\varphi}=90^{\circ}$$ (Abb. 78.1). Beide Bewegungen ergeben wieder die unter dem Wirkrichtungswinkel η zur Schnittrichtung geneigte Wirkbewegung. Entsprechend der Schnitt-, Vorschub- und Wirkbewegung ist auch hier zu unterscheiden zwischen Schnittgeschwindigkeitv c Vorschubgeschwindigkeitv f und Wirkgeschwindigkeitv e .Mit Bohrerdurchmesser d, Drehzahl n und Vorschub f wird 78.1$${v}_{\text{c}} ={\uppi}{d}{n}$$78.2$${v}_{\text{f}} ={n f}$$$$ \begin{array}[]{c|c|c|c|c}{v}_{\text{c}}&{d}&{n}&{v}_{\text{f}}&{f}\\ \hline\dfrac{\text{m}}{\text{min}}&\text{m}&\text{min}^{-1}&\dfrac{\text{mm}}{\text{min}}&\text{mm}\\ \end{array}$$ Bei dem meist sehr kleinen Verhältnis $${v}_{\text{f}}/{v}_{\text{c}}$$ kann auch hier $$v_{\text{e}}=v_{\text{c}}$$ gesetzt werden.Alle Bewegungen liegen wiederum in der sogenannten Arbeitsebene (Abb. 78.1).Bohren ist auch der Sammelbegriff für Senken, Reiben, Gewindeschneiden, Bohren mit dem Drehmeißel u. a., sodass eine Vielzahl von Werkzeugen und Maschinen zu diesem Zerspanvorgang gehören, z. B. Ständer-, Reihen-, Radial-, Koordinaten-, Gelenkspindel-, Vielspindel-, Sonderbohrmaschinen, Horizontalbohrwerke, Lehrenbohrwerke, Tieflochbohrmaschinen, CNC-Fräsmaschinen.

Wolfgang Böge

79. Schleifen

Ähnlich wie beim Fräsen führt auch beim Schleifen ein umlaufendes Werkzeug (die Schleifscheibe) die Schnittbewegung aus. Viele am Umfang der Scheibe verteilte, geometrisch nicht bestimmbare Schneiden (die Ecken der Schleifkörner) nehmen dabei vom Werkstück kleine kommaförmige Späne ab. Schleifen ist daher mit Fräsen vergleichbar. Tiefenzustellung und Vorschubbewegung werden je nach Bauart der Maschine vom Werkstück oder Werkzeug ausgeführt. Aufbau, Form der Schleifwerkzeuge, Körnung, Bindemittel und Kennzeichnung sind den Katalogen der Herstellerfirmen zu entnehmen.Vereinfacht kann die Spanbildung nach Abb. 79.1 erklärt werden. Die Schleifscheibe läuft mit der Drehzahl n s , das Werkstück mit n w um. Das momentan schneidende Umfangskorn der Scheibe besitzt die Umfangsgeschwindigkeit v c (Schnittgeschwindigkeit). Es tritt im Punkt E (Abb. 79.1) in das Werkstück ein und verlässt es wieder bei A. In der gleichen Zeit ist Punkt A nach B gewandert. Der abgeschliffene Span hat angenähert die Form ABE.Er wird um so feiner sein, je höher die Schleifscheibengeschwindigkeitv c , je niedriger die Werkstückgeschwindigkeitv c und je kleiner die Schnitttiefe (Zustellung) a e ist (Abb. 79.1). Wichtig beim Schleifen ist demnach das Geschwindigkeitsverhältnis$$q=v_{\text{c}}/v_{\text{w}}$$.

Wolfgang Böge

80. Hartbearbeitungen durch Drehen, Bohren und Fräsen

Lange Zeit dachte man bei der spanabhebenden Bearbeitung gehärteter Stähle nur an eine Schleifbearbeitung. Die Entwicklung der hoch- bzw. superharten Schneidstoffe CBN (Kubisches Bornitrid, siehe auch Abschn. 20.3.3.16 „Schneidstoffe“ und Abschn. 23.2 „Keramische Werkstoffe“) und PKB (Polykristallines kubisches Bornitrid) führte seit den 1980er Jahren zur Zerspanung dieser Werkstoffe mit geometrisch bestimmten Schneiden. Seit dieser Zeit wird die Bearbeitung gehärteter Werkstoffe mit einer Härte über 50 HRC als Hartbearbeitung oder Hartzerspanung bezeichnet. Sie wird sowohl beim Drehen als auch beim Bohren und Fräsen eingesetzt. Die größte Bedeutung hat hier das Hartdrehen. Während das Hartdrehen bis vor einigen Jahren beinah ausschließlich in der Einzel- und Kleinserienfertigung eingesetzt wurde, wird es heute zunehmend auch für Großserien und in der Massenfertigung angewendet. In der Regel bestehen Vorteile für den Einsatz des Hartdrehens dann, wenn in einer Aufspannung mehrere unterschiedliche Geometrie- oder Formelemente (konisch, zylindrisch, …) bearbeitet werden müssen. Bei der Bearbeitung in einer Aufspannung sind sehr gute Lagegenauigkeiten der Funktionsflächen erreichbar. Weiterhin sind Hartdrehprozesse für die Innen- und die Außenkonturbearbeitung von großer Bedeutung.Vor- und Nachteile der Bearbeitung gehärteter Bauteile durch das in der Praxis am häufigsten eingesetzte Hartdrehen gegenüber Schleifverfahren können wie folgt zusammengefasst werden, siehe Tab. 80.1.

Lutz Barfels

Werkzeugmaschinen

Frontmatter

81. Grundlagen

Die Werkzeugmaschine (auch als Fertigungsmittel oder Fertigungseinrichtung bezeichnet) dient der Erzeugungvon Werkstücken mittels Werkzeugen entsprechend der gegebenen Fertigungsaufgabe.Die Werkzeugmaschine gibt dem Werkstoff durch urformende, umformende, trennende und/oder fügende Verfahren die geforderte geometrische Form und Oberflächengestalt sowie die gewünschten Abmessungen.Die Werkzeugmaschine hat sich heute zum komplexen Fertigungssystem mit meist hohem Automatisierungsgrad entwickelt. Sie ist vielgestaltig und komplex geworden. Dadurch ist die moderne, für die Anwendung progressiver Fertigungsverfahren geeignete Werkzeugmaschine einschließlich peripherer Einrichtungen, wie Speicher- und Handhabungstechnik für Werkstücke und Werkzeuge, Qualitätssicherungs- und Prozessüberwachungssysteme sowie Möglichkeiten zur Integration in flexible Fertigungssysteme ein Maßstab für den Stand der Produktionstechnik eines Unternehmens.

Werner Bahmann

82. Baugruppen von Werkzeugmaschinen

Haupt- oder Arbeitsspindeln dienen zur Realisierung der Drehbewegung als Komponente der Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug in Arbeitsrichtung, siehe auch Kap. 81, Abb. Abb. 81.2.Haupt- oder Arbeitsspindeln können in Abhängigkeit vom jeweiligen Fertigungsverfahren entweder Werkstückspindeln (z. B. bei Drehmaschinen, Rundschleifmaschinen, Drehfräsmaschinen u. a.) oder Werkzeugspindeln (z. B. bei Fräs- und Bohrbearbeitungszentren, Rund- und Flachschleifmaschinen u. a.) sein.1.Aufnahme der Spannmittel für Werkstücke oder Werkzeuge in der Arbeitsspindel2.Stabiles Führen der Arbeitsspindel auf einer in ihrer Lage vorgeschriebenen Drehachse unter Einwirkung von Spanungs-, Antriebs- und Massenkräften. Dabei darf die Lage der Arbeitsspindelachse zur Drehachse nur um kleinste zulässige Werte abweichen.3.Sicherung der Leistungsübertragung entsprechend des vorgegebenen Drehzahlbereiches und der erforderlichen Drehmomente

Werner Bahmann

83. Steuerungs- und Automatisierungstechnik an Werkzeugmaschinen

Eine leistungsfähige und funktionssichere Steuerungstechnik ist die Voraussetzung für die Automatisierung der Werkzeugmaschinen und der Produktionsprozesse (Definition nach DIN IEC 60050-351 siehe Teil Steuerungstechnik).Eine Steuerung umfasst eine Reihe von Baugruppen. Dazu zählen:Speicher (Kurve, Lochband, Diskette, elektronischer Speicher (RAM, EPROM), u. a.)Steuerketten und RegelkreiseGesteuerte und geregelte Organe (Servomotore als Schlittenantrieb, E-Magnete, E-Magnetkupplungen, Steuerventile u. a.)Schalter, Sensoren, Näherungsinitiatoren, MesssystemeBei Werkzeugmaschinen haben Steuerungen folgende Aufgaben:Einleiten und Beenden der Bewegungen von Arbeitsspindeln, Werkzeugschlitten, Arbeitstischen, Werkzeug- und Werkstückwechseleinrichtungen, ArbeitsraumtürenZu- und Abschalten von HilfsstoffenVerändern von Drehzahlen, Geschwindigkeiten, Kräften und MomentenArbeitsspindeln, Werkzeugschlitten, Arbeitstische mit hoher Genauigkeit in die gewünschte Position fahrenErste mechanisch gesteuerte Automaten für die Dreh- und Ergänzungsbearbeitung wurden bereits gegen Ende des 19. Jahrhunderts entwickelt. Sie wurden im Laufe des 20. Jahrhunderts technisch weiter ausgebaut und haben auch heute, im Zeitalter der CNC-Technik, dort, wo ausgesprochene Großserien- und Massenfertigung vorliegt, ihre Bedeutung noch nicht verloren.

Werner Bahmann

84. Entwicklung der Werkzeugmaschine zum Komplettbearbeitungszentrum

In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich die klassische, vorwiegend auf die Anwendung eines Fertigungsverfahrens ausgerichtete Werkzeugmaschine (Drehmaschine, Fräsmaschine, Bohrmaschine, Schleifmaschine usw.) zum Bearbeitungszentrum (BAZ) zur Komplettfertigung entwickelt, Abb. 84.1.Gründe für eine solche EntwicklungDie Komplettbearbeitung des Werkstückes in einer Aufspannung sichert höchste Qualität, insbesondere in den Lage- und Formtoleranzen.Der Lager-, Handlings- und Transportbedarf der Werkstücke in der Produktion wird erheblich reduziert.Die Zahl der Fertigungsplätze (Werkzeugmaschine einschließlich Werkstück- und Werkzeugspeicher sowie Handhabeeinrichtungen) wird reduziert.Die Flexibilität in der Produktion erhöht sich.Die Zahl der Bedienkräfte verringert sich.Die Kosten sinken.Voraussetzungen für diese EntwicklungDie Entwicklung der CNC-Steuerungs- und Antriebstechnik, besonders Mikrorechner, digitale Antriebe und Messsysteme höchster PräzisionDie Entwicklung leistungsfähiger Fertigungsverfahren und Werkzeuge mit hohen Standzeiten (CBN-Werkzeuge, Schneidkeramik, HSC-Fräsen, Lasertechnik)Hohe statische, dynamische und thermische Steife der Gestellbaugruppen, wodurch die zeitparallele Bearbeitung mit gleichen oder unterschiedlichen Fertigungsverfahren möglich wird

Werner Bahmann

85. Werkzeugmaschinen zur Herstellung von Verzahnungen

In Abb. 85.1 ist eine Auswahl von Verzahnungsarten dargestellt. Es zeigt die Vielfalt der herzustellenden Formen und damit die Breite der Verfahren, Maschinen, Werkzeuge und Einrichtungen. Da Zahnradgetriebe in großem Umfang im Automobilbau, in der Energie- und Fördertechnik sowie im Schiffbau eingesetzt werden, ist auch die Anzahl der benötigten Fertigungseinrichtungen zur Verzahnungsherstellung groß.Die Zahnradpaarungen unterscheiden sich nach:Lage der Achsenparallelgekreuztsenkrecht aufeinander stehend (schneidend oder axial versetzt)Übersetzungsverhältnisse (Zähnezahlen)Zu übertragende Drehmomente (Modul, Zahnbreite)Genauigkeit der Übertragung (Verzahnungsfehler, Umfangsgeschwindigkeit)Laufruhe (Verzahnungsfehler, Umfangsgeschwindigkeit)

Werner Bahmann

86. Werkzeugmaschinen zur Feinstbearbeitung

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.In der Übersicht in Abb. 86.1 ist gezeigt, dass der Begriff „Feinst- oder Präzisionsbearbeitung“ dann zur Anwendung kommt, wenn die erzielbare Rautiefe $$\boldsymbol{0{,}1}\boldsymbol{\leq}\boldsymbol{R}_{\textbf{Z}}\boldsymbol{\leq}\boldsymbol{1}\,\boldsymbol{\upmu}\textbf{m}$$ ist.In der Regel sollten die weiteren Werte der Oberflächengestalt liegen bei:Arithmetischer Mittenrauwert $$\boldsymbol{0{,}01}\,\boldsymbol{\upmu}\textbf{m}\leavevmode\nobreak\ \boldsymbol{\leq}\leavevmode\nobreak\ \boldsymbol{R}_{\textbf{a}}\leavevmode\nobreak\ \boldsymbol{\leq}\leavevmode\nobreak\ \boldsymbol{0{,}1}\,\boldsymbol{\upmu}\textbf{m}$$ Welligkeit (z. B. Wälzlager) $$\boldsymbol{0{,}1}\,\boldsymbol{\upmu}\textbf{m}\leavevmode\nobreak\ \boldsymbol{\leq}\leavevmode\nobreak\ \boldsymbol{W}_{\textbf{t}}\leavevmode\nobreak\ \boldsymbol{\leq}\leavevmode\nobreak\ \boldsymbol{1{,}5}\,\boldsymbol{\upmu}\textbf{m}$$Die Form-und Lagetoleranzen fein- und feinstbearbeiteter Flächen sollten entsprechend Tab. 86.1 liegen.Die Übersicht in Abb. 86.1 zeigt, dass besonders die FertigungsverfahrenHonenKurzhubhonen oder SuperfinishenLäppenGlattwalzen (mit Einschränkung)zum Erreichen dieser Zielstellung bei der Bearbeitung von Stahl geeignet sind.

Werner Bahmann

87. Umformende und schneidende Werkzeugmaschinen (Auswahl)

Aus dem großen Gebiet der Maschinen zur Realisierung der Umform- und Schneidtechnik wird auf die in der Praxis am häufigsten in der Anwendung befindlichen eingegangen.

Werner Bahmann

Programmierung von Werkzeugmaschinen

Frontmatter

88. Einleitung

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 Konturverläufe wurden erstmalig Steuerungen auf Basis diskreter elektronischer Bauelemente entwickelt. Mit der Einführung integrierter elektronischer Schaltkreise (ICs) begann diese Technologie schrittweise Einzug in die Werkzeugmaschinenindustrie zu halten. Neben der Entwicklung der Hardware wurde die Programmierung und die Entwicklung von entsprechenden Programmiersprachen ein für 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 = NC) führte, siehe auch Abschn. 83.3 in Teil . Da diese Steuerungen seit Ende der siebziger Jahre auf der Grundlage programmierbarer Mikrorechner funktionierten, etablierte sich hierfür der Begriff CNC-Technik (Computerized Numerical Control).

Lutz Barfels

89. Geometrische Grundlagen für die Programmierung

Um die Zerspanbewegungen einer Werkzeugmaschine festlegen zu können, ist ein Koordinatensystem erforderlich. Verwendet wird das kartesische Koordinatensystem mit den drei Hauptachsen X, Y und Z.Drehwinkel A $${\rightarrow}$$ Drehung um die X-AchseDrehwinkel B $${\rightarrow}$$ Drehung um die Y-AchseDrehwinkel C $${\rightarrow}$$ Drehung um die Z-Achse

Lutz Barfels

90. Steuerungsarten und Interpolationsmöglichkeiten

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, die in Tab. 90.1 dargestellt sind.

Lutz Barfels

91. Manuelles Programmieren

Bei der manuellen Programmierung werden von einem Teileprogrammierer auf einem Programmierblatt von Hand (manuell) alle für die Maschinensteuerung erforderlichen Anweisungen (Steuerungsbefehle) niedergeschrieben.Der Programmaufbau numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen ist genormt in DIN 66025, Teil 1. Die Hauptbestandteile eines CNC-Steuerungsprogramms sind:der Programmanfang mit einer Programmnummer oder einem Programmnamen,eine Folge von Sätzen mit den Fertigungsanweisungen unddas Programmende.

Lutz Barfels

92. CAD in der Praxis

Konstruktion und 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. Das Kapitel „CAD in der Praxis“ liefert hierzu einen Überblick über typische Hardware sowie über Peripheriegeräte, die gerne bei der rechnerunterstützten Konstruktion angewendet werden; es informiert über die unterschiedlichen Philosophien, die CAD-Software-Systemen zugrunde liegen und zeigt die grundsätzliche Arbeitsweise bei Anwendung von CAD-Systemen auf.

Susanna Labisch

Steuerungstechnik

Frontmatter

93. Einführung in die Steuerungstechnik

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. Es wird daher von einem offenen Wirkungsablauf gesprochen. Eine Steuerung kann in verschiedenen Ebenen der Automatisierungspyramide ein- und mit unterschiedlichen Mitteln umgesetzt werden. Auch gibt es verschiedene Arten eine Steuerung zu realisieren, bei denen zur Lösung der Steuerungsaufgabe eine Vielzahl von Funktionen zur Verfügung stehen. Allgemeine Grundbegriffe zur Planung, für den Aufbau, die Prüfung und den Betrieb von technischen Steuerungen sind genormt. Hier werden sie vorrangig aus der Sicht der Automatisierung von Fertigungseinrichtungen betrachtet.

Petra Linke

94. Grundlagen der Steuerungstechnik

Ziel der Automatisierung und somit auch der Steuerungstechnik ist es, einen Prozess, eine Anlage autonom ohne Eingriff des Menschen arbeiten zu lassen. 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. In diesem Kapitel werden hierfür die Grundlagen gelegt, vorrangig für binäre Signale. Es werden sowohl die Darstellung grundlegender Funktionen für die Programmierung als auch deren Umsetzung durch elektrische und fluidische Schaltungen gezeigt.

Petra Linke

95. Verbindungsprogrammierte Steuerung

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.

Petra Linke

96. Speicherprogrammierbare Steuerungen

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.

Petra Linke

97. Maschinensicherheit

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.

Petra Linke

Regelungstechnik

Frontmatter

98. Grundlagen

In diesem Kapitel werden die Grundbegriffe aus der Regelungstechnik aufgeführt und erläutert, damit begriffliche Klarheit für die folgenden Kapitel besteht. Weiterhin wird der Wirkungsplan als typische Darstellungsmöglichkeit von Regelkreisen vorgestellt. Den Abschluss bilden die mathematischen Beschreibungen von Regelkreisgliedern als Grundlage für die formelmäßige Beschreibung von Regelkreisen.

Berthold Heinrich

99. Regelstrecken

Die Regelstrecke ist derjenige Teil des Wirkungsweges, welcher den aufgabengemäß zu beeinflussenden Teil der Anlage darstellt. Eine genaue Kenntnis des Verhaltens der Strecke ist notwendig, um ein gewünschtes Regelungsergebnis zu erhalten. Deshalb werden zunächst einige typische Strecken(verhalten) vorgestellt.

Berthold Heinrich

100. Regler

In einer Analogie kann man die Strecke als „Patient“ undden Regelungstechniker als „Arzt“ ansehen. Die „Diagnose“ inForm der Klassifizierung und Parameteridentifizierung der Streckeist geschehen. Nun interessiert die Frage, welche Mittel zur„Therapie“ zur Verfügung stehen. Oder:Welche Typen von Reglerngibt es?

Berthold Heinrich

101. Zusammenwirken zwischen Regler und Strecke

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.

Berthold Heinrich

102. Fuzzy-Regelung

Neben der klassischen Regelungstechnik gewinnt heute 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. Zufällig oder unscharf ist diese Art der Regelung nicht, sondern sie führt über ein präzises Regelwerk zu genau determinierten Ergebnissen.

Berthold Heinrich

Betriebswirtschaftliche Grundlagen

Frontmatter

103. Aufgaben und Zielsetzungen

Die technisch orientierte Betriebswirtschaft unterstützt den Techniker und Ingenieur bei derPlanung und Realisierung wirtschaftlicher Prozesse (Fertigungsprozesse, Entwicklungsprozesse im F+E-Bereich, Vertriebsprozesse, Beschaffungsprozesse),Überwachung der Wirtschaftlichkeit,Führung und Management von Abteilungen, Teams, Mitarbeitern undEntwicklung und Vermarktung kundenorientierter und marktgerechter Produkte.Eine technisch orientierte Betriebswirtschaft konzentriert sich aufdie Unternehmensplanung und Unternehmensorganisation als Bestimmungsgrößen jeder ingenieurmäßigen Aktivität,die Kostenrechnung und die Wirtschaftlichkeitsrechnung als Basis vieler Entscheidungen in Produktion, Entwicklung, Materialwirtschaft, Vertrieb, also die Bereiche, in denen Ingenieure und Techniker bevorzugt tätig sind,das Projektmanagement als unverzichtbares Instrument zur effizienten Durchführung von großen Planungsvorhaben in allen Bereichen,die betriebswirtschaftliche Seite der Produktplanung und das Marketing von Produkten.Unternehmen müssen sich Ziele setzen, an denen die Aktivitäten auszurichten sind. Diese Ziele sind anzustreben, wenn sich das Unternehmen langfristig im Wettbewerb behaupten will. Als traditionelle betriebswirtschaftliche Zielgrößen gelten Gewinn, Produktivität und Wirtschaftlichkeit.

Jürgen Bauer

104. Unternehmensplanung und Unternehmensorganisation

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 (Abb. 104.1).Das Unternehmen kann sich bei der Entwicklung einer Strategie an sogenannten Normstrategien (Abb. 104.2) orientieren:Häufig konzentriert sich das Unternehmen darauf, seine Kernkompetenzen (das, was man gut kann) auszubauen.Eine mögliche Strategie besteht in der Differenzierung der Produkte. Man versucht, für jeden Kundenwunsch die technische Lösung zu liefern. Das Lieferprogramm wird systematisch ausgeweitet.

Jürgen Bauer

105. Finanzierung

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. 105.1). 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 (Abb. 105.2).Die Finanzierung kann durch Fremdkapital (Fremdfinanzierung) oder durch Eigenkapital (Eigenfinanzierung) erfolgen.

Jürgen Bauer

106. Industrielle Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung

Die Kosten- und die Wirtschaftlichkeitsrechnung als Hauptinhalt des internen Rechnungswesens stellt den technischen Bereichen die Entscheidungsinformationen zur Verfügung umdie Produktkosten zu beeinflussen und die Preisfindung abzusichern (Produktkalkulation),die Wirtschaftlichkeit betrieblicher Maßnahmen zu bestimmen (Wirtschaftlichkeitsrechnung),Auswahlentscheidungen in Entwicklung, Produktion und Logistik zu treffen (Produktkalkulation).Kosten sind das Produkt aus Verbrauch und Preis / Verbrauchseinheit. $$\begin{aligned}\displaystyle\textbf{K}\boldsymbol{=}\textbf{V}\boldsymbol{\cdot}\textbf{{p}}\end{aligned}$$In der Kostenrechnung werden variable und fixe Kosten unterschieden. Variable Kosten sind von der Auslastung (T) der betreffenden Kostenstelle bzw. der produzierten Stückzahl abhängig. In der Kostenrechnung wird dabei ein linearer Zusammenhang unterstellt. $$\begin{aligned}\displaystyle\textbf{Kvar}\boldsymbol{=}\textbf{{f}}(\textbf{T})\end{aligned}$$ Beispiel sind die oben erwähnten Stromkosten. Dagegen entstehen fixe Kosten unabhängig von der Auslastung bzw. Ausbringung. Beispiel dazu sind Gehälter für Ingenieure oder Meister.

Jürgen Bauer

107. Produktmarketing und marktorientierte Produktgestaltung

Mit der Wandlung vom Verkäufer- zum Käufermarkt, der zunehmenden Konkurrenz und der häufig identischen Produkte wird das Marketing 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. Abb. 103.2, insbesondere den Vertrieb und die Entwicklung.Die Ausrichtung auf den Markt erfolgt durch das Marketing-Mix als Paket von Methoden, bestehend ausIm Fokus der Produkt- und Programmgestaltung steht die Entwicklung neuer Produkte mit einem aus der Sicht des Käufers hohen Gebrauchs- und Geltungsnutzen. Den Gebrauchsnutzen erkennt der Käufer im Gebrauch des Produktes. Dazu gehören z. B. hohe Leistung, geringe Wartungskosten, Sicherheit und Umweltfreundlichkeit im Gebrauch des Produkts. Der Geltungsnutzen wird vom Käufer als Prestigezuwachs empfunden. Er wird durch das Design, Verpackung, Trendnutzen, Markenimage bestimmt.Von Bedeutung ist die Schaffung eines Alleinstellungsmerkmales (USP = Unique Selling Proposition, einzigartiger Verkaufsvorteil). Damit soll das Produkt eine unter den Konkurrenzprodukten herausragende Stellung erhalten.

Jürgen Bauer

Arbeitswissenschaft

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108. Arbeitswissenschaft im technischen Umfeld

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.

Klaus-Dieter Arndt

109. Grundlagen des Arbeitsstudiums

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.

Klaus-Dieter Arndt

110. Arbeitsvorbereitung und Arbeitsplanung

Die Arbeitsvorbereitung im klassischen Sinn bezieht sich auf den Bereich der Fertigung und Montage. Die Aufgaben der Arbeitsvorbereitung werden in Abb. 110.1 beschrieben. 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 gemäß Abb. 110.2 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.

Klaus-Dieter Arndt

Qualitätsmanagement

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111. Qualitätsmanagement

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 Unternehmens (Abb. 111.1).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.

Klaus-Dieter Arndt

112. Qualitätsmanagementmethoden

Die Qualitätsmanagementmethoden dienen der Überwachung und Verfolgung von Prozessen. Die statistische Prozessregelung SPC (Statistical Process Control) ist in diesem Zusammenhang ein wichtiges Werkzeug.

Klaus-Dieter Arndt

Produktionslogistik

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113. Grundlagen der Produktionslogistik

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. (Abb. 113.1).Die Produktionslogistik ist eine wesentliche Voraussetzung für den Unternehmenserfolg. Aus der Finanzperspektive (vgl. [Kaplan und Norton(1996)]) des Unternehmens fördert eine effektive Produktionslogistik wichtige Erfolgsgrößen im Unternehmen wieAus der Kundenperspektive beeinflusst sie die ErfolgsgrößenAus der Sicht der am Produktionsprozess beteiligten Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen hat sie wesentlichen Einfluss auf dieEs ist das Bestreben der Produktionslogistik, diesen Erfolgsbeitrag durch effiziente Steuerung und Kontrolle der Abläufe zu sichern. Eine Schlüsselrolle kommt dabei der betrieblichen Informationstechnik, insbesondere den Softwaresystemen zur Produktionslogistik zu.Welches sind die Hauptaufgaben der Produktionslogistik? (Abb. 113.2).

Jürgen Bauer

114. Produktionslogistik mit ERP-Systemen

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.

Jürgen Bauer

115. Supply Chain Management

Die Produktionslogistik hat im Rahmen der Materialbeschaffung und der Belieferung von externen Kunden vielfältige Beziehungen zu Lieferanten und Kunden. Im Ansatz des Supply Chain Managements (Lieferkettenmanagement), kurz auch als SCM bezeichnet, versucht man, sowohl Lieferanten als auch Kunden in die gesamte Logistikplanung zu integrieren. SCM umfasst dabei vor allem folgende Aufgaben:Bedarfs- und Bestandsplanung der Materialien entlang der LieferketteKapazitäts- und Terminplanung für alle in der Lieferkette vorhandenen ArbeitsplätzeTransportplanung für die LieferkettePrüfung der Verfügbarkeit eines vom Kunden angefragten Materials in der gesamten Lieferkette (ATP = available to promise)

Jürgen Bauer

116. Spezielle Steuerungsmethoden in der Produktionslogistik

Die in der Materialversorgung dargestellte KANBAN-Steuerung kann gleichermaßen zur Auftragssteuerung innerhalb der Fertigung angewandt werden.Zwischen Vorgänger- und Nachfolgerarbeitsplatz (das können auch ganze Arbeitsplatzgruppen sein) wird dazu ein KANBAN-Regelkreis eingerichtet. Der Nachfolgerarbeitsplatz fordert die benötigten Teile, wie bereits in Abschn. 114.2.2 beschrieben, mit der KANBAN-Karte an. Der Nachfrageimpuls beginnt dabei im Versandlager (Abb. 116.1, rechts). Von dort geht eine KANBAN-Karte mit leerem Behälter (Nummer 1) an die Montage, dieser wird aufgefüllt und wieder an den Absender transportiert. Die Montage fordert ihrerseits Teile von den vorhergehenden Arbeitsplätzen an (Regelkreis 2). Der Versand zieht also die geforderte Menge aus der Fertigung. Hieraus erklärt sich die Bezeichnung Pull-Prinzip.Da der Impuls zur Fertigung einer Serie vom Vertrieb bzw. vom Kunden ausgeht, bezeichnet man dies auch als production on demand (Fertigung auf Anforderung).Die Nummern in den Behältersymbolen stehen für den jeweiligen Regelkreis.

Jürgen Bauer

117. Kostenüberwachung und Wirtschaftlichkeitsrechnung

Die ERP-Produktkalkulation erfolgt auf der Basis des Mengen- und Wertgerüsts der Produktionsprozesse. Sie greift dabei auf die Stammdaten (Materialstamm, Arbeitsplätze, Arbeitspläne, Stücklisten) zu. Basis ist die übliche Industriekalkulation in der Form einer Zuschlagskalkulation, ergänzt durch Platzkostensätze der Maschinen und Arbeitsplätze (siehe Teil ).

Jürgen Bauer

118. Logistikcontrolling

Der Produktionsvollzug in Form der Auftragsabwicklung ist zu überwachen, eine Aufgabe, die im engeren Sinne als Logistikcontrolling bezeichnet werden kann Dazu wird eine Instanz Produktionscontrolling z. B. als Stabstelle bei der Produktionsleitung oder beim Controlling des Unternehmens geschaffen. Das Controlling ist dabei keinesfalls nur als Kontrolle zu verstehen. Vielmehr ist diese Stelle aktiv an der Planung optimaler Abläufe in der Produktion beteiligt.Folgende Aufgaben werden dem Produktionscontrolling zugewiesen:Termin- und DurchlaufzeitcontrollingKapazitätscontrollingBestandscontrollingKosten- und Wirtschaftlichkeitscontrolling.Leistungsfähige ERP-Systeme stellen Informationen zur Beurteilung der Auftragsabwicklung zur Verfügung. Beispiel hierfür ist das Produktionsinformationssystem im ERP-System R/3 von SAP [Bauer(2012)]).

Jürgen Bauer

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