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Über dieses Buch

Dieses Lehr- und Übungsbuch gibt eine anwendungs- und praxisorientierte Darstellung zu hydraulischen und pneumatischen Systemen. Wichtige Konstruktionselemente und deren Regelung ermöglichen einen schnellen Überblick über die behandelte Thematik. Durch zahlreiche Berechnungs- und Übungsbeispiele mit Lösungen und ergänzenden Hinweisen ist das Buch sehr gut für das Selbststudium geeignet. Die fünfte Auflage enthält ein neues Simulationsbeispiel Einspritzsystem sowie neue Abschnitte zu Optimierungsmaßnahmen und Energieeffizienz.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung

Fluidtechnik – Hydraulik und Pneumatik überträgt Kraft und Leistung zum Antreiben, Steuern und Bewegen. Schnelligkeit, Kraft, Präzision – die Dynamik von Maschinen und Anlagen sind häufig Resultate hydraulischer und pneumatischer Antriebs- und Steuerungstechnik. Bei linearen wie auch rotatorischen Bewegungen, gleichmäßigen Huboder Senkbewegungen, Beschleunigungsforderungen, Leistungsübertragungen oder dem Bedarf Positionen anzufahren und zu halten, finden hydraulische und pneumatische Komponenten in fast allen Bereichen der Industrie ihre Anwendung. Im Wettbewerb mit alternativen Antriebstechniken weist sich die Hydraulik vor allem durch ihre wesentlich höhere Leistungsdichte und die Pneumatik durch ihre kostengünstige und effiziente Bauweise aus. Hydraulik und Pneumatik begegnet uns überall im täglichen Leben. Kaum ein Produkt kommt ohne den Einsatz der Fluidtechnik zustande, kaum eine Maschine oder ein Flugzeug bewegt sich ohne sie – nur ist es uns meistens nicht bewusst. Die Hydraulikund Pneumatikhersteller sind Zulieferer für die gesamte Industrie. Zu ihren Abnehmerbranchen zählen z. B. die Automobilindustrie, die Baumaschinen- und Landmaschinenindustrie, die Fördertechnik, die Hersteller von Nahrungsmitteln und Verpackungsmaschinen, von Holzbearbeitungs- und Werkzeugmaschinen, ebenso wie die Elektrotechnik, der Schiffbau, die Hütten- und Walzwerkindustrie bis hin zur Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Umwelttechnik, Gummi- und Kunststoffindustrie und Chemie.

Holger Watter

2. Fluide und Fluideigenschaften

Nachfolgend werden die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Druckmedien vorgestellt sowie die Charakteristika des Fluids als Konstruktionselement mit seinen spezifischen Parametern beschrieben. Fluid ist der Oberbegriff für Gase und Flüssigkeiten. Fluide bestehen aus Atomen oder Molekülen, die miteinander in Wechselwirkung stehen, aber keine feste Ordnungsstruktur aufweisen; die Substanz ist daher frei beweglich, unbegrenzt deformierbar und gibt beliebig kleinen Kräften nach. Der Fokus liegt nachfolgend auf Druckflüssigkeiten (Hydrauliköl) und Druckluft.

Holger Watter

3. Grundlagen der Fluidmechanik

Der statische Druck p, den das ruhende Fluid auf eine Oberfläche ausübt, ist3.1$$ p=\frac{F}{A},$$darin ist Gebräuchliche Einheiten sind PASCAL und bar: $$ 1\,\text{bar}=10^{5}\,\frac{\text{N}}{\text{m}^2} = 10^{5}\,\text{Pa}, \quad\text{wobei}\quad \frac{\text{N}}{{\text{m}}^{2}}=\text{Pa}.$$

Holger Watter

4. Komponenten und Bauteile

Hydraulik und Pneumatik sind in der Lage, auf begrenztem Raum größere Stellkräfte und Momente bereitzustellen. Das Grundprinzip der Leistungsübertragung in der Fluidtechnik wird anhand eines hydraulischen Wagenhebers erläutert. In Abb. 4.1 soll die linke Seite durch ein schweres Fahrzeug F1 und die rechte Seite durch menschliche Muskelkraft F2 belastet werden. Aufgrund des hydrostatischen Gleichgewichtes gilt im Ruhezustand4.1$$ {{p}_{1}}={{p}_{2}} \quad \text{also} \quad p=\frac{{{F}_{1}}}{{{A}_{1}}}=\frac{{{F}_{2}}}{{{A}_{2}}} \quad \text{und somit} \quad \frac{{{F}_{1}}}{{{F}_{2}}} = \frac{{{A}_{1}}}{{{A}_{2}}}\quad \text{hier also:}\quad {{F}_{1}} > F_{2}.$$Das Kräfteverhältnis hängt nur vom Flächenverhältnis ab, kann also konstruktiv nahezu beliebig gewählt werden, einzige Begrenzung ist der verfügbare Bauraum.Der Vorteil der Kraftverstärkung wird mit einem Nachteil erkauft: Soll die linke Seite angehoben werden, so gilt wegen der Kontinuitätsgleichung (3.2)4.2$$ \dot{m}=\dot{V} \cdot \rho =\dot{x} \cdot A \cdot \rho =\text{konst}$$speziell für inkompressible Medien4.3$$ {{\dot{x}}_{1}} \cdot {{A}_{1}}={{\dot{x}}_{2}} \cdot {{A}_{2}}\quad \text{und somit}\quad \frac{{{{\dot{x}}}_{1}}}{{{{\dot{x}}}_{2}}}=\frac{{{A}_{2}}}{{{A}_{1}}}\quad \text{hier:}\quad {{\dot{x}}_{1}}<\dot{x}_{2}.$$

Holger Watter

5. Steuern, Regeln, Simulieren

Hydraulische und pneumatische Komponenten bilden aufgrund ihrer Leistungsdichte oft die Stelleinrichtungen und Aktuatoren von Steuerungen und Regelungen in technischen Systemen. Die Mikroelektronik hat dabei die autonome Steuerung, Regelung und Überwachung des technischen Systems übernommen. Hydraulische und pneumatische Komponenten setzen jedoch die „Stellbefehle kraftvoll und präzise“ um und halten so das technische System unter Kontrolle.

Holger Watter

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