Die in der Mathematik betrachteten Gegenstände werden oftmals durch Symbole, meistens Buchstaben, bezeichnet. Dabei kennzeichnen manche Symbole feste Dinge, zum Beispiel π das Verhältnis zwischen Umfang und Durchmesser eines beliebigen Kreises. Andere Symbole sind Veränderliche (auch Variable oder Platzhalter genannt), das heißt, sie können jeden Gegenstand einer Klasse von Gegenständen bezeichnen.
Das Wort Trigonometrie kommt aus dem Griechischen und bedeutet Dreiecksmessung. Die Trigonometrie ist die Lehre von der Dreiecksberechnung mit Hilfe von Winkelfunktionen (trigonometrischen Funktionen).
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.
Kraft ist die Ursache einer Bewegungs- oder (und) Forménderung. Man arbeitet in der Statik mit dem Gedankenbild des „starren“ Körpers, schließt also die bei jedem Körper auftretende Forménderung aus der Betrachtung aus. Jede Kraft lésst sich durch Vergleich mit der Gewichtskraft eines Wégestücks messen. Eindeutige Kennzeichnung einer Kraft
F
erfordert drei Bestimmungsstücke (Bild 1):
Betrag
der Kraft, z.B.
F
= 18 N; in bildlicher Darstellung festgelegt durch Lénge einer Strecke in bestimmtem Kréftemaßstab (KM).
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 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.
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 (ρ= 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.
Bei der eindimensionalen kompressiblen stationären Strömung
c
(x,ρ) 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.
Wird ein Stab von 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
(1)
Je nach vorliegender Aufgabe kann die Hauptgleichung umgestellt werden zur Berechnung des
erforderlichen Querschnitts
(Querschnittsnachweis):
2
$$
A_{erf} = \frac{F}
{{\sigma _{zul} }}
$$
Berechnung der
vorhandenen Spannung
(Spannungsnachweis):
3
$$
\sigma _{vorh} = \frac{F}
{A}
$$
Berechnung der
maximal zulässigen Belastung
(Belastungsnachweis):
4
$$
F_{max} = \sigma _{zul} A
$$
Treten Zug- und Druckspannungen in einer Rechnung gleichzeitig auf, werden sie durch den Index z und d oder durch das Vorzeichen + und - unterschieden.
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.
Alle Produkte der Technik — von Dienstleistungen abgesehen — bestehen aus Werkstoffen: Das Produkt muss mit seinem gewählten Werkstoff(en) die Anforderungen des Erwerbers oder Benutzers erfüllen:
zuverlässige Funktion über die Lebensdauer (Leistung, Traglasten, Geschwindigkeiten),
niedrige Betriebskosten (Schmierung, Korrosionschutz, Wartung) oder
Die technisch wichtigen Metalle (Tabelle 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:
Elektrische Leitfähigkeit durch freie Elektronen im Kristallgitter,
Plastische Verformbarkeit durch Platzwechsel der Metallionen im Gitter, wobei die freien Elektronen die metallische Bindung aufrecht erhalten.
Stahl ist schmiedbares Eisen, das deswegen unlegiert einen C-Gehalt von 1,7 % nicht übersteigen darf und geringste Gehalte an P, S, O, und N besitzen muss. Für die Erzeugung haben sich zwei Erzeugungslinien durchgesetzt: Das Endprodukt ist ein Rohstahl. Er enthält Nichtmetalle, die bei der Erzeugung durch Erze, Koks und Zuschlagstoffe in Roheisen und Stahl gelangen, unterschiedliche Wirkung auf die Eigenschaften haben und im Gehalt begrenzt werden müssen. Stahlnormen enthalten Grenzwerte dieser Stoffe.
Geringere Vorkommen 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.
Polymere bestehen aus Riesen- oder Makromolekülen, die durch chemische Reaktionen aus einfachen, niedermolekularen Verbindungen entstehen, den Monomeren. Ausgangsstoffe sind überwiegend Kohlenwasserstoffe (KW), die gröβte Gruppe der C-Verbin-dungen. 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 Auβenelektronen) zur Kettenbildung fähig ist.
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 genormt. Im Unterschied zum Gieβen ist der Materiezustand beim Formen fest (evtl. teilflüssig beim Sintern mit flüssiger Phase). Deshalb sind PM-Teile i.A. porös, die Porosität ist vom Pressverlauf abhängig, beginnt mit 30 % und kann durch Sinterschmieden oder Tränken auf Null gebracht werden. Mit der Dichte steigen Festigkeit und Zähigkeit.
Die Beanspruchung der Oberfläche durch Korrosion und Verschleiβ führen zu Materialverlust, der Störungen der Bauteilfunktion verursacht und zu hohen Kosten und Folgekosten durch Ausfall führen kann. Abhilfe wird durch Werkstoffwahl oder Oberflächenschutzschichten erreicht.
Schwerpunkt des Abschnittes sind die Prüfverfahren, welche Eigenschaftskennwerte liefern, die für die Beurteilung von Werkstoffen wichtig sind. Dazu gehören auch einige Versuche über die Eignung für bestimmte Fertigungsverfahren. Wichtige Aufgaben der Werkstoffprüfung sind auβerdem:
Fehlersuche an Vormaterial und Fertigteilen (Qualitässicherung) durch zerstärungsfreie Pröfungen,
Überwachung der Wärmebehandlung und deren Einfluss auf das Gefüge,
Bestimmung unbekannter Werkstoffe, Trennung von vertauschtem Material.
Die Temperatur ist ein Maβ für den Vorrat an (thermischer) innerer Energie eines thermodynamischen Systems. Sie ist eine physikalische Basisgröβe. Mit der Temperatur verbinden sich subjektive Wahrnehmungen zur Beschreibung der Warmheit eines stofflichen Körpers (z.B. kalt, warm).
entwickelt ihre Gesetzmäβigkeiten mit Hilfe messbarer Gräβen, die für den jeweiligen Zustand eines Systems kennzeichnend sind. Die Thermodynamik verzichtet dabei auf jede atomistische Deutung des Wesens der Wärme, wie sie in der kinetischen Wärmetheorie zum Ausdruck kommt.
Nach dem Zweiten Hauptsatz kann Energie in Form von Wärme nur dann von einem kälteren auf einen wärmeren Stoffbereich übergehen, wenn dieser Vorgang durch mechanische Arbeit erzwungen wird. Eine
selbsttätige Wärmeübertragung
kann nur von einer Zone höherer Temperatur ausgehen und in Richtung auf weniger warme Bereiche ablaufen. Voraussetzung für jede selbsttätige Wärmeübertragung ist also das Vorhandensein eines
Temperaturgefälles.
Der Energieaustausch zwischen Stoffen verschiedener Temperatur ist beendet, wenn sich ein energetischer Gleichgewichtszustand eingestellt hat und nach dem Wärmeaustausch überall die gleiche Temperatur herrscht (Temperaturausgleich).
ist das Atom. Das Wasserstoffatom z.B. besteht aus einem Proton als Kern und einem Elektron, das diesen Kern auf einer bestimmten Bahn umkreist. Das Proton bezeichnet man als elektrisch positiv, - das Elektron als negativ geladen. Zwischen beiden befindet sich die „Elektrizität“ in Form eines besonderen Raumzustandes, der als elektrisches Feld bezeichnet wird. Normalerweise erscheint ein Stoff nach außen hin elektrisch neutral, weil ebenso viele positive wie negative Ladungen in ihm enthalten sind.
Der Querschnitt A einer Leitung muss so groß gewählt werden, dass die Leitung erstens keinen zu hohen Spannungs- bzw. Leistungsverlust verursacht und zweitens nicht zu heiß wird. Als Leitermaterial wird fast immer Kupfer, bei Freileitungen auch Aluminium verwendet. Die Leitungen werden in 3 Gruppen eingeteilt: Bei Gruppe 1 handelt es sich um Rohrdrähte oder Rohrverlegung (bis zu 3 Drähte in einem Rohr), bei Gruppe 2 um Kabel oder kabelähnliche Leitungen, bei Gruppe 3 um einadrige Leitungen (frei in Luft). Die genormten Querschnitte A, ihre zugeordneten Sicherungen und die zulässigen Stromstärken Izul für Dauerbetrieb sind zusammengestellt in Tabelle 1.
Der Begriff Mechatronik ist ein Kunstwort, welches durch Eindeutschung des englischen Wortes „Mechatronics“ entstanden ist. Dieses ist wiederum eine Zusammenziehung der englischen Bezeichnungen für „Mechanics“ (Maschinenbau) und „Electronics“ (Elektrotechnik). Der Begriff wurde durch einen japanischen Ingenieur 1969 geprägt und durch eine japanische Firma bis 1972 als Warenzeichen gehalten.
In Bild 7, Kap. 1, ist die Struktur eines mechatronischen Systems dargestellt worden. Es handelt sich in der Regel um Systeme, die rechnergesteuert unter Informationsaufnahme durch Sensoren bestimmte Bewegungen erzeugen oder Kräfte ausüben. Es geht dabei um dynamische Systeme, deren Bewegungen durch Rechneralgorithmen gesteuert und geregelt werden.
Anfänglich tauchte der Begriff Mechatronik vor allem im Zusammenhang mit Industrierobotern und anderen autonomen Robotersystemen auf. Eine der ersten Buchveröffentlichungen aus dem Jahr 1991 trägt den Titel „Mechatronics & Robotics“ und ist eine Sammlung von Vorträgen einer internationalen Konferenz. Die Robotertechnologie ist seitdem ein wichtiges Anwendungsfeld der Mechatronik.
Der konstruktive Entwicklungsprozess eines Produkts kann nicht losgelöst von den einzelnen Phasen betrachtet werden, die es während seines Bestehens durchläuft. Jede Phase beeinflusst mehr oder weniger die Ziele der Produktentwicklung. Diese Wechselwirkungen müssen Entwickler und Konstrukteur berücksichtigen. Zum Teil spiegeln sich diese Verbindungen in Anforderungen und Gestaltungshinweisen wider (siehe Kapitel 1.4). Im Folgenden wird der Produktlebenszyklus mit seinen einzelnen Phasen näher vorgestellt.
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 Abschnitt Mathematik). Bild 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) sind die Dezimalbereiche nach vier Grundreihen geometrisch gestuft. Der Stufensprung q ist das konstante Verhältnis einer Normzahl zur vorhergehenden. Der Buchstabe R weist auf Renard hin, der die Normzahlen entwickelt hat.
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.
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.
Werden beim Fügen von Einzelteilen zu Baugruppen die Verbindungen durch Schweißen gefertigt, so ist der Konstrukteur weit reichenden 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. Weit gehend 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).
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.
Bolzen und Stifte dienen der gelenkigen oder festen Verbindung von Bauteilen, der Lagesicherung, Zentrierung, Führung usw. Bei losen Verbindungen müssen die Bolzen, Stifte oder Bauteile gegen Verschieben gesichert werden, z.B. durch Stellringe, Splinte und Querstifte. Formen und Abmessungen dieser Verbindungselemente sind weitgehend genormt.
Mit Federn werden elastische Verbindungen hergestellt. Sie verformen sich unter Einwirkung äußerer Kräfte, speichern dabei Energie und geben diese bei Entlastung durch Rückfederung wieder ab. Anwendung als Arbeitsspeicher, zur Stoß- und Schwingungsdämpfung, als Rückholfedern, zur Kraftmessung und als Spannelemente. Nach ihrer Gestalt unterscheidet man Blatt-, Schrauben-, Teller-, Stab-, Spiral-, Ring-, Hülsen- und Scheibenfedern, nach der Beanspruchungsart wird in Zug-, Druck-, Biege- und Drehfedern unterteilt.
Achsen dienen zum Tragen und Lagern von Laufrädern, Seilrollen, Hebeln usw. und werden hauptsächlich auf Biegung beansprucht. Sie übertragen kein Drehmoment. Feststehende Achsen werden nur ruhend oder schwellend auf Biegung beansprucht. Sie sind festigkeitsmäßig günstiger als umlaufende Achsen, bei denen die Biegung wechselnd auftritt. Wellen laufen ausschließlich um. Sie übertragen über Riemenscheiben, Zahnräder, Kupplungen usw. Drehmomente, werden also auf Verdrehung und meist zusätzlich auf Biegung beansprucht.
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). Lässt man die Klebverbindungen außer Acht, kann man die Vielzahl der inzwischen gängigen Elemente zum Verbinden von Welle und Nabe in zwei Gruppen einteilen.
Hauptaufgabe der Kupplungen ist das Weiterleiten von Rotationsleistung P Mω. Als Zusatzaufgabe kann das Schalten des Drehmoments M hinzukommen oder die Verbesserung bestimmter dynamischer Eigenschaften. Entsprechend unterteilt man die Kupplungen in:
Feste Kupplungen
(drehstarre Kupplungen) dienen der starren, fluchtenden Verbindung von Wellen und anderen Getriebeelementen.
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), Bild 1.
Zahnräder dienen der unmittelbaren formschlüssigen Übertragung von Drehmomenten und Drehbewegungen zwischen parallelen, sich kreuzenden oder sich schneidenden Wellen.
Die Fördertechnik befasst sich mit allen Fragen innerbetrieblicher Materialtransporte sowie mit der Organisation des gesamten betrieblichen Materialflusses. Die Hebetechnik ist ein Teilgebiet der Fördertechnik. Die Materialflusstechnik in der Produktion und die eng damit verbundene Warenlager- und -Verteiltechnik (auch Kommissionier- oder Distributionstechnik genannt) sind wichtige Teilgebiete. Die Umschlagtechnik in Häfen und Güterbahnhöfen sowie die Beförderung von Bergbauprodukten auf Förderbändern manchmal über mehrere 100 Kilometer sind weitere Beispiele.
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.
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.
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.
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 (Kap. 4.1). 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 (Bild 1).
Schraubenwinden
- die Last wird durch eine Schraubenspindel gehoben.
Als Stetigförderer bezeichnet man Fördermaschinen für Schütt- oder Stückgüter, die ununterbrochen (= 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, mit denen Stückgüter befördert werden können, sind Rutschen und Gliederbandförderer (Kap. 9.3 und 9.5) sowie Rollenförderer und Kreisförderer. Hier sollen nur die letzteren gesondert angesprochen werden.
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 Fuβboden (= Flur) verfahren werden. Flurförderer verlangen daher meist nur vergleichsweise geringe Anlageinvestitionen.
Brennstoffe werden fest, flüssig und gasförmig genutzt. Festbrennstoffe werden gefunden als Holz, Torf, Braun- und Steinkohle, Flüssigbrennstoff als Erdöl und Gasbrennstoff als Erdgas. Aus diesen natürlichen Brennstoffen lassen sich durch Veredelung hochwertigere Brennstoffe erzeugen.
Im Dampferzeuger (Dampfkessel) wird Wasser durch die heißen Feuergase auf Siedetemperatur erwärmt und verdampft. Es entsteht Sattdampf, der sich im Dampfraum über dem siedenden Wasser sammelt. Die Siedetemperatur ist vom Druckzustand abhängig. Der eingeschlossene Dampf hat überdruck und damit Druckenergie.
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
p1
auf
p2
entspricht einer Enthalpieänderung von △
h = h1 - h2
in kJ/kg. Aus der Beziehung
E
pot =
E
kin erhält man mit
m
= 1 kg die Gleichung △
h = cs
2 /2 und daraus die theore Dampfgeschwindigkeit am Düsenaustritt
c
s =
h
△ 2 in m/s. Die Reibung des Dampfes an den Düsenwandungen verringert die Dampfgeschwindigkeit. Düsenreibzahl △ = 0,93 bis 0,98. Zusammengefasst wirkt am Düsenaustritt die Dampfgeschwindigkeit
Gestaut wird durch Wehr oder Staumauer, wodurch nutzbarer Höhenunterschied der Energielage des Wassers entsteht. Diese Höhendifferenz wirkt als Wasserdruckgefälle in der Turbinenanlage.
Windkraftanlagen können bei Windgeschwindigkeiten ab 5 m/s Strom erzeugen. Die Nennleistung wird bei Windgeschwindigkeiten in Nabenhöhe von 12 bis 16 m/s erreicht, was ungefähr der Windstärke 7 entspricht.
Pumpen fördern Flüssigkeiten auf ein höher gelegenes Niveau. Pumpen sind Arbeitsmaschinen, weil ihnen mechanische Energie zugeführt wird. Diese mechanische Energie wird umgewandelt in Druckund kinetische Energie.
Verdichter fördern im Gegensatz zu den „Flüssigkeitspumpen“ Gase, d.h. kompressible Medien; dabei ist eine Drucksteigerung der Gase mit einer Temperaturerhöhung oder einer Wärmeabgabe sowie mit einer Volumenverringerung verbunden.
Verbrennungsmotoren sind Wärmekraftmaschinen, die als Energiequelle Flüssigkraftstoff oder Gas verwenden. Die Umsetzung der im Kraftstoff enthaltenen chemischen Wärmeenergie wird durch Verbrennung im Zylinderraum vor dem Kolben vorgenommen (innere Verbrennung) und durch Expansion sofort über ein Kurbeltriebwerk in mechanische Energie umgesetzt. Die expandierten Verbrennungsgase werden durch Frischgase ausgetauscht (Ladungswechsel) und der Prozess zyklisch fortgeführt. Wegen des kürzeren Energieweges vom Kraftstoff bis zur Triebwerkswelle, der hohen Prozesstemperaturen und Druckverhältnisse, arbeiten Verbrennungsmotoren mit besserem thermischen Wirkungsgrad als andere Wärmekraftmaschinen.
Unter Urformen versteht man das Fertigen eines festen Körpers aus formlosem Stoff. Formlose Stoffe sind Gase, Flüssigkeiten, Pulver, Granulate und Späne.
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 (Tabelle 1). In der industriellen Fertigung wird Scherund Messerschneiden zum Abschneiden mit offener Schnittlinie, Auschneiden, 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 Tabelle 4). DIN 8588
1
) 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.
Einzelteile werden zu Baugruppen lösbar oder unlösbar gefügt. Zum lösbaren Fügen erforderliche Verbindungsmittel wie Schrauben, Bolzen oder Keile sind im Abschnitt I 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.
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 (Bild 1). Schnitt- und Vorschubbewegung können sich aus mehreren Komponenten zusammensetzen, z.B. die Vorschubbewegung beim Drehen eines Formstücks aus Längs- und Planvorschubbewegung.
Im Gegensatz zum Drehen ist die Schnittbewegung bei Maschinen mit hin- und hergehender Bewegung
nicht gleichförmig
(Hobel-, Stoß- und Räummaschinen). Die
mittlere Rücklaufgeschwindigkeit
v
mr
ist meist größer als die
mittlere Geschwindigkeit beim Arbeitshub
v
ma
, z.B. beim Antrieb durch die schwingende Kurbelschleife (v
m
: v
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
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 ISOQualität 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.
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.
Haupt- oder Arbeitsspindeln dienen zur Realisierung der Drehbewegung als Komponente der Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug in Arbeitsrichtung, siehe auch Kapitel 1, Bild 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.
Eine leistungsfähige und funktionssichere Steuerungstechnik ist die ist die Voraussetzung für die Automatisierung der Werkzeugmaschinen und der Produktionsprozesse (Definition nach DIN 19226 siehe Abschnitt Steuerungstechnik).
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, Bild 1.
Im Bild 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 erheblich groß.
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.
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.
Bei der Fertigung mit CNC-Werkzeugmaschinen muss der Programmierer alle Informationen zur Herstellung des Werkstückes in einem Programmblatt festhalten.
Bei der manuellen Programmierung werden von einem Teileprogrammierer auf einem Programmierblatt von Hand (manuell) alle für die Maschinensteuerung erforderlichen Anweisungen (Steuerungsbefehle) niedergeschrieben.
Steuerungen werden in der Fertigungs-, Montageund Transporttechnik eingesetzt, wenn der aufgabengemäß zu beeinflussende Teil der Anlage stabil ist und nur erfassbare Störgrößen auftreten. Allgemeine Grundbegriffe zur Planung, für den Aufbau, die Prüfung und den Betrieb von technischen Steuerungen sind genormt.
Ein Signal ist die Darstellung von Information. Die Darstellung erfolgt durch den Wert (digital) oder Werteverlauf (analog) einer physikalischen Größe (DIN 19226, T5). Als Informationsparameter des Signals gilt diejenige Größe, deren Wert oder Werteverlauf Informationen zur Verarbeitung in einer Steuereinrichtung enthält.
Mechanische Steuereinrichtungen erreichen mit großen Stellgeschwindigkeiten sehr genaue Verstellwege. Sie bestehen aus Getrieben, Kupplungen, Kurvenscheiben und Hebeln. Die Antriebsenergie wird durch elektrische Antriebe bereitgestellt. Anwendung finden diese Steuerungsmittel vorwiegend im Werkzeugmaschinenbau.
Automatisieren bedeutet den Einsatz künstlicher Mittel, um einen technischen Prozess selbsttätig ablaufen zu lassen. Die Steuerung der technischen Abläufe erfolgt vorwiegend durch speicherprogrammierbare Steuerungen, weil der zu beeinflussende Teil der Anlage stabil ist und nur erfassbare Störgrößen auftreten. Die Eingangsgrößen der Steuerungen kommen aus der zu steuernden Anlage oder erfolgen als Bedieneingriff durch den Menschen. Art und Umfang der Bedieneingriffe werden durch die Betriebsart festgelegt. Mögliche Bedieneingriffe sind Start-oder Stoppsignale. Meldungen aus dem Betriebsartenteil oder aus dem zu steuernden Prozess signalisieren den Zustand oder Zustandsänderungen im Automatisierungssystem. Durch technische Systeme zu automatisierende Funktionen sind u.a. das Speichern, Vereinzeln, Identifizieren, Positionieren, Spannen und Zusammenfügen von Maschinenelementen. Bei der Realisierung von Automatisierungssystemen sind einfache, möglichst lineare Bewegungen zu bevorzugen.
Technische Systeme sind für eine begrenzte Zeit brauchbar, vorausgesetzt, sie werden innerhalb vorgegebener Grenzen beansprucht. Dazu gehören mechanische Beanspruchungen, Umweltbedingungen und eine einwandfreie Instandhaltung. Im Fehlerfall dürfen von automatisierten Anlagen keine Gefahren für Personen ausgehen. Die technische Anlage muss ebenfalls vor Schäden bewahrt werden. Da Fehler in jeder Anlage auftreten können, sind die Auswirkungen der Fehler entscheidend.
Die Kernaufgabe in der Regelungstechnik besteht darin, für eine bestimmte Regelungsaufgabe den geeigneten Regler auszuwählen und die Parameter anzupassen.
In einer Analogie kann man die Strecke als „Patient“ und den Regelungstechniker als „Arzt“ ansehen. Die „Diagnose“ in Form der Klassifizierung und Parameteridentifizierung der Strecke ist geschehen. Nun interessiert die Frage, welche Mittel zur „Therapie“ zur Verfügung stehen. Oder: Welche Typen von Reglern gibt es?
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.
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.
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 Durchführung der Wertschöpfungsprozesse erfordert umfangreiche Finanzmittel, die durch die Finanzplanung bereitzustellen sind. Bleiben Lücken in der Finanzierng von Geschäftsaktivitäten, droht im schlimmsten Fall die Illiquidität (Zahlungsunfähigkeit) und das Ende der Geschäftstätigkeit.
Die Kosten- und die Wirtschaftlichkeitsrechnung als Hauptinhalt des internen Rechnungswesens stellt den technischen Bereichen die Entscheidungsinformationen zur Verfügung um
die Produktkosten zu beeinflussen und die Preisfindung abzusichern (Produktkalkulation)
die Wirtschaftlichkeit betrieblicher Maßnahmen zu bestimmen (Wirtschaftlichkeitsrechnung)
Auswahlentscheidungen in Entwicklung, Produktion und Logistik zu treffen (Produktkalkulation).
Mit der Wandlung vom Verkäufer- zum Käufermarkt, der zunehmenden Konkurrenz und der häufig identischen Produkte wird 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 Bild 2, insbesondere den Vertrieb und die Entwicklung.
Die Arbeit spielt im Leben des Menschen eine beherrschende Rolle. Er ist hier einer Vielzahl von Einflüssen ausgesetzt, die die Gesundheit und das Wohlbefinden beeinflussen und die weit in die übrigen Lebensbereiche hineinwirken. Aus diesem Grunde beschäftigt man sich seit Menschengedenken mit den Veränderungen im Arbeitsleben und in der Arbeitswelt.
Nach REFA (Verband für Arbeitsgestaltung, Betriebsorganisation und Unternehmensentwicklung e.V) besteht das Arbeitsstudium in der Anwendung von Methoden und Erfahrungen zur Untersuchung und Gestaltung von Arbeitssystemen mit dem Ziel, unter Beachtung der Leistungsfähigkeit und der Bedürfnisse des arbeitenden Menschen, die Wirtschaftlichkeit des Betriebes zu verbessern. Dabei wirken in Arbeitssystemen Menschen und Betriebsmittel zusammen, um Arbeitsaufgaben zu erfüllen.
Die Arbeitsvorbereitung im klassischen Sinn bezieht sich auf den Bereich der Fertigung und Montage. Die Aufgaben der Arbeitsvorbereitung werden in Bild 24 beschrieben. Das Ziel besteht darin, ein bestmögliches wirtschaftliches Arbeitsergebnis zu erreichen.
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.
Die Qualitätsmanagementmethoden dienen der Überwachung und Verfolgung von Prozessen. Die statistische Prozessregelung SPC (Statistical Process Control) ist in diesem Zusammenhang ein wichtiges Werkzeug.
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. (Bild 1).
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.
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 Lieferkette
Kapazitäts- und Terminplanung
für alle in der Lieferkette vorhandenen Arbeitsplätze
Transportplanung
für die Lieferkette
Prüfung der Verfügbarkeit
eines vom Kunden angefragten Materials in der gesamten Lieferkette (ATP = available to promise)
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 Abschnitt S). Die für die Kalkulation verwendeten Platzkostensätze (Tarife) sind Ergebnis der Kostenplanung, die hier nicht behandelt wird (siehe Abschnitt S). Die Kaufteile gehen mit dem im Materialstamm festgelegten Standardpreis in die Kalkulation ein (Bild 38).
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.
Backmatter
Metadaten
Titel
Vieweg Handbuch Maschinenbau
herausgegeben von
Alfred Böge
Copyright-Jahr
2007
Verlag
Vieweg+Teubner
Electronic ISBN
978-3-8348-9092-4
Print ISBN
978-3-8348-0110-4
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-8348-9092-4
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