Hydraulik und Pneumatik: Grundlagen und Übungen - Anwendungen und Simulation

286 Pages·2015·6.43 MB·German

by  Holger Watter (auth.)

Holger Watter
Hydraulik
und Pneumatik
Grundlagen und Übungen –
Anwendungen und Simulation
4. Auflage
Hydraulik und Pneumatik
Holger Watter
Hydraulik und Pneumatik
Grundlagen und Übungen -
Anwendungen und Simulation
4., überarbeitete und erweiterte Auflage
HolgerWatter
FHFlensburg
Flensburg,Deutschland
ISBN978-3-658-07859-1 ISBN978-3-658-07860-7(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-07860-7
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Lektorat:ThomasZipsner
GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier.
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Danksagung
Eine Vorlesung mit anschaulichen Beispielen vorzubereiten, erfordert mehr Arbeit, als
Studierende oder Laien erahnen: Viele Stunden Recherche, Aufarbeitung von Gefunde-
nem,VerwerfenvonGrafikenundBeispielen,diesichinderLehrenichtbewährthaben.
All dies geschieht im Verborgenen und wird vom „Kunden“ stillschweigend mit hoher
Aktualitäterwartet.
Aus einer erprobten Vorlesung ein Buch zu machen, müsste dann doch wohl relativ
einfachsein!Weitgefehlt!DieStichworteausderVorlesungmüssenausformuliertsein;
Dinge, die aus der Erfahrung „eben mal aus dem Handgelenk geschüttelt“ und vorge-
tragenwerden,müssennundidaktischeingebundenwerden;handschriftlicheFolienund
TafelskizzenmüssenfürsLayoutelektronischaufbereitetwerden... wiedermehrArbeit
alsmandenkt.
IchmöchtemichdaherbeiMenschenbedanken,diemichbeiderArbeitundimRah-
menvonProjektenunterstützthaben:
(cid:2) HerrDipl.-Ing.StefanClaußenhatbeizurückliegendenBuchprojektenbereitshilfrei-
cheArbeitgeliefert.InsbesonderedieTeileüberdieSchmierstoffeigenschaftenbasie-
renaufdieserZusammenarbeit!
(cid:2) Frau Dr.-Ing. Sylvia Ullmer hat mich bei der Durchführungdes EU-Projektes LLIN-
CWA(loss/lostlubricationincoastalandinlandwateractivities)tatkräftigunterstützt.
DerTeilzudenbiologisch-abbaubarenSchmierstoffenentstandausdieserZusammen-
arbeit.
(cid:2) Herr Dipl.-Ing. Siegfried Prust stand als Mitarbeiter des Labors für Hydraulik und
Pneumatik(H&P) an der Hochschulefür AngewandteWissenschaft (HAW) Hamburg
immer wieder beratend zur Seite. Offene Fragen und Lösungsansätze konnten durch
Laborversuche schnell und unkompliziert evaluiert werden. Ich danke insbesondere
fürdieAnfertigungderFotos.
(cid:2) Bei Herrn Dipl.-Ing. Thomas Zipsner bedanke ich mich für die Initiative zu diesem
Buch, das Vertrauen, die Beratung und die tatkräftige Unterstützung bei der Umset-
zung.
(cid:2) BeiderHochschulefürAngewandteWissenschaften(HAW)Hamburgbedankeichmich
fürdieBereitstellungderLaborkapazitätensowiederRessourcenundKompetenzen.
V
VI Danksagung
(cid:2) BeimeinerFamilie,insbesonderebeimeinerFrauPetraWatter,bedankeichmichfür
ihrVerständnisunddieUnterstützung.ZahlreicheStundenamPC(oftbisindiespäte
NachtundamWochenende)wurdenohneMurrenakzeptiert.
(cid:2) „Lastbutnotleast“beidenStudierendenfürVerbesserungs-undKorrekturvorschläge
zur2.bis4.Auflage!
Tarp,Februar2015 HolgerWatter
Vorwort
DieFluidtechnikisteineinterdisziplinäreParadedisziplindesMaschinenbaus.Aufbauend
aufGrundlagenkenntnisseausdenBereichen
(cid:2) dertechnischenMechanik(Belastungen,Dimensionierung,Spezifikation),
(cid:2) derBetriebsstofflehre(EigenschaftenundCharakteristikaderFluide),
(cid:2) derStrömungslehreundThermodynamik(kompressible,inkompressibleMedien,Zu-
standsänderungen,Strömungsverluste)sowie
(cid:2) derMess-,Steuerungs-undRegelungstechnik(Automatisierung,Peripherie)
werdenvertiefendeKenntnisseausdenBereichen
(cid:2) der Systemtechnik (Schnittstellenproblematik, Interaktionen der Systeme, Simulati-
onstechnik)und
(cid:2) der Anlagen- und Antriebstechnik benötigt (Verdrängerpumpen, -maschinen und
-kompressoren, Hydro- und Druckluftmotoren, Wandler, hydrodynamische -Kupp-
lungen).
Die Gliederung dieses Buches orientiert sich an diesen Anforderungen. Es wendet
sich an angehende Ingenieure und Ingenieurinnen in der Bachelor- und Masterausbil-
dung sowie Praktiker im Betrieb. Nach der Darstellung des Grundlagenwissens zu den
Betriebsstoffen (Kap. 2) und zur Fluidmechanik (Kap. 3) werden die wichtigsten Sys-
temkomponentenundderenWirkmechanismenvorgestellt(Kap.4).ZahlreicheBeispiele
verdeutlichen exemplarisch diese Zusammenhänge. Dabei steht weniger die Konstruk-
tion ausgewählter Bauteile im Vordergrund, sondern vielmehr das Verständnis um die
komplexenWirkzusammenhängeunddieSystemdynamik:Messen–Steuern–Regeln–
Antreiben: Keine „Schräubchenkunde“ – Beschränkung auf die ingenieurgerechte Be-
schreibung der Wirkmechanismen. Es wird das verallgemeinerte Betriebsverhalten und
die Betriebscharakteristik der mechatronischen Komponenten vorgestellt, soweit diese
für die Anlagenkonfiguration, den Betrieb und die Störungssuche hilfreich sein können
(Kap.4).KonstruktiveDetailskönnendenumfangreichenWeb-SeitenderKomponenten-
hersteller entnommen werden; eine Auswahl dazu wird auf der Verlagsseite als Online-
Service(vgl.AnhangA6)bereitgehalten.
VII
VIII Vorwort
ObwohlderSchwerpunktdesBucheswegenderbesonderenBedeutungderMobilhy-
draulikaufdemGebietderÖlhydraulikliegt,wirdimmerwiederversucht,Parallelenund
DifferenzenzumSystemverhaltenderPneumatikherauszuarbeiten.
EinenbesonderenSchwerpunktbildetdabeidiemoderneSimulationstechnik(Kap.5),
hiersolleineerkannteLückeinderdeutschsprachigenFachliteraturgeschlossenwerden.
DiedazunotwendigenmathematischenGrundkenntnissewerdenindenvorgenanntenAb-
schnittenkonsequentgelegtsowiedazuwichtigeRandgebieteindenAnhängenA1bisA4
behandelt.AnhandvonanschaulichenBeispielenausderFluidtechnikwirddieHerange-
hensweisezurLösungvoninterdisziplinärendynamischenProblemstellungenvorgestellt.
DurchKenntnisseinderSimulationstechnikkannderLeserdieErgebnissevonkommer-
ziellenSoftwaretoolskritischhinterfragen–einefachlicheQualifikation,diezunehmend
wichtigerfürdieberuflichePraxiswird.
Die vorliegende 4. Auflage wurde als E-Book grundständig überarbeitet und ergänzt
um ein Abkürzungsverzeichnis, didaktisch-methodische Verbesserungen, angepasstes
Layout(z.B. durchfarbigeAbbildungen)sowievertiefendenInhaltezurAuslegungvon
Hydrospeichern,weitereBeispielezurSimulations-undVisualisierungstechnik(nunauch
inSCILAB).
Formelzeichen und Abkürzungen
Formelzeichen
a Schallgeschwindigkeit[m/s]
A Fläche[m2]
B magn.Induktion[Vs/m2=T]
b Dämpfungskonstante[N/(m/s)]
c Strömungsgeschwindigkeit[m/s]
c spez.Wärmekapazität[J/kgK]
p
C Kapazität[m3/bar]
D Dämpfungsgrad
D Geschwindigkeitsgefälle[s(cid:2)1]
e EULER-Zahl:e=2,71828
f Erregerfrequenz[Hz=1/s]
f Eigenfrequenz[Hz=1/s]
0
F Kraft[N]
g Erdbeschleunigung,Gravitationskonst.9,81m/s2
G(s) Übertragungsfunktion
G (laminarer/turbulenter)Leitwert[(Ltr/min)/bar]
[(Ltr/min)2/bar]
H Feldstärke[A/cm]
Im ImaginärteileinerkomplexenZahl
J Massenträgheitsmoment[kgm2]
K Kompressionsmodul[bar]
L Induktivität[bar/(Ltr/min)/s]
m Masse[kg]
mP Massenstrom[kg/s]
M Drehmoment[Nm]
M molareMasse[kg/kmol]
p Druck[bar]
IX
X FormelzeichenundAbkürzungen
P Leistung[W,kW]
Q DVP Volumenstrom[m3/s,Ltr/min]
Re REYNOLDs-Zahl
Re RealteileinerkomplexenZahl
< allg.Gaskonstante8,314kJ/kmolK
R spez.Gaskonstante[J/kgK]
R laminarerWiderstand[bar/(Ltr/min)]
lam
R turbulenterWiderstand[bar/(Ltr/min)2]
turb
s Wandstärke[mm]
s Sollwert[%]
s D d LAPLACE-Operator
dt
W Arbeit[Nm=J=Ws]
VI Viskositätsindex
V Verstärkungsfunktion,Amplitudengang
V Volumen[m3]
VP D dV Volumenänderung[m3/s]
dt
V Schluckvolumen[cm3]
H
x Wegposition[m]
xP Geschwindigkeit[m/s]
xR Beschleunigung[m/s2]
z Zylinderzahl,Zähnezahl
˛ Winkel[rad]
˛ Durchflusszahl(Strömungseinschnürung)
˛ BUNSEN-Koeff.
L
ˇ D 1 Kompressibilität/Pressziffer[1/bar]
K
ˇ Filterfeinheit
10
ı Abklingkonstante[1/s]
ı Ungleichförmigkeitsgrad
" Dehnung
(cid:2) Wirkungsgrad
(cid:2) dynamischeViskosität[Pas]
' Drehwinkel[rad]
'P D! Winkelgeschwindigkeit[rad/s]
'R D!P Winkelbeschleunigung[rad/s2]
(cid:3) Liefergrad
µ magn.Permeabilität[˝s/m]
µ Haftungs-/Reibungsbeiwert
(cid:4) Isentropenexponent
(cid:5) kinematischeViskosität[mm2/s]
(cid:5) Querkontraktionszahl,POISSON-Zahl
(cid:6) Dichte[kg/m3]
(cid:7) Normalspannungen[N/mm2]