Schulungsprogramm

Kapitel 1: Pneumatische Grundbegriffe

Was ist Pneumatik?

Pneumatik ist die Verwendung von Druckluft in Wissenschaft und Technik zur Verrichtung mechanischer Arbeit und zur Steuerung.
In der Industrie findet die Pneumatik oft ihre Anwendung im Bereich der Automatisierungstechnik. Wir können entweder über Pneumatik oder über pneumatische Systeme reden.

Im Rahmen dieser Schulung verstehen wir unter Pneumatik Steuerung und Kraftübertrag durch Druckluft.

Vorteile und Nachteile der Pneumatik

Die pneumatischen Systeme haben sehr viele Vorteile, die wichtigsten sind

  • Das Medium, also die Druckluft stammt aus unserer Umgebung. Daher steht sie unbegrenzt zur Verfügung.
  • Nach Gebrauch erlangt die Druckluft ihren ursprünglichen Zustand. Sie kann unbedenklich in die Umgebung ausströmen.
  • Die Druckluft ist flexibel komprimierbar, deshalb ist sie besonders gut anwendbar bei Vibrationsdämpfungen und Federungen.
  • Die Druckluft lässt sich durch Rohre schnell und mit geringen Verlusten transportieren.
  • Die Druckluft lässt sich bei erhöhter Feuer- und Explosionsgefahr verwenden.
  • Dank der Druck- und Mengenregulierung kann die Energieübertragung innerhalb breiter Grenzen geregelt werden.
  • Pneumatische Komponenten lassen sich einfach montieren und instand halten. Die Funktionalität ist sehr zuverlässig.

Neben den Vorteilen müssen wir auch die typischen Nachteile kennen:

  • Die Druckluft – abhängig von der Anwendung – verlangt eine Aufbereitung, insbesondere Filtrierung und Trocknung.
  • Druckluft ist aufgrund hoher Strompreise und beschränkter Wirkungsgrade der Kompressoren eine relativ teure Energieform.
  • Aufgrund der Komprimierbarkeit von  Luft lässt sich eine  belastungsunabhängige Positionierung der Aktoren nicht realisieren.

Physikalische Grundbegriffe, Maßeinheiten

Das SI-Maßeinheitensystem basiert auf zahlreichen Grund- und davon abgeleitete Maßeinheiten. Wir befassen uns damit nicht im Detail

    [Internationales Einheitensystem: abgekürzt SI von französisch Système international d’unités]

    Maßeinheiten, die in der Pneumatik interessant sind:

    • Meter – m (Länge / Strecke)
    • Kilogramm – kg (Masse)
    • Sekunde – s (Zeit)
    • Kelvin – K (Thermodynamische Temperatur)

    Abgeleitete Maßeinheiten, die wir hier diskutieren:

    • Newton – N (Kraft)
    • Pascal – Pa (Druck)

    Kraft

    Kraft ist eine gerichtete physikalische Größe, die eine wichtige Rolle in der technischen Mechanik spielt. Sie kann Körper beschleunigen oder verformen. Durch Kraftwirkung kann man Arbeit verrichten und die Energie eines Körpers verändern. Einige Kräfte haben eigenständige Bezeichnungen aufgrund ihrer Ursachen oder Wirkungen erhalten. Dazu gehören die Reibungskraft, die Gewichtskraft und die Fliehkraft. Die heutige Physik unterscheidet vier Grundkräfte, die alle diesen Ausformungen von Kraft zugrunde liegen. In diesem Zusammenhang wird der Begriff Wechselwirkung gleichbedeutend mit Kraft verwendet.              

    • Formelzeichen: F
    • Einheit: Newton
    • Formelzeichen der Einheit: N
    • Im SI dargestellt:   

    Druck

    Der Druck ist ein Maß für den Widerstand, den Materie einer Verkleinerung des zur Verfügung stehenden Raumes entgegensetzt. Druck ist eine intensive, skalare physikalische Größe und ein Spezialfall der mechanischen Spannung. Sie gibt die Kraft an, die pro Flächeneinheit senkrecht auf eine Bezugsfläche wirkt

    Bei Druck werden häufig die folgenden Multiplikatoren verwendet:

    1 kPa (Kilopascal) = 1.000 Pa

    1 MPa (Megapascal) = 1.000.000 Pa
     

    Die Verwendung der Einheit bar hat sich in der Fluidtechnik generell durchgesetzt.

    1 bar = 100,000 Pa = 0.1 MPa = 0.1 N/mm2

    1 mbar = 0,001 bar

    1 nbar = 0,000000001 bar
     

    In einigen Ländern – wie z. B. in Großbritannien oder in der USA – wird noch die  Maßeinheit psi (pounds per square inch - Pfund pro Quadratzoll) verwendet.

    1 psi = 0,07 bar (gerundet)
     

    Normal atmosphärischer Druck ist der Druck bezogen auf die Meereshöhe, dessen Wert ist 1 atm (Atmosphäre).

    1 atm = 101.325 Pa = 1013,25 mbar (Millibar) oder hPa (Hektopascal)
     

    Diese Maßeinheit wird meistens in der Meteorologie verwendet.

    In der Praxis 1 atm = 1 bar.

    Der Überdruck zeigt den Wert des Druckes über dem atmosphärischen Druck.

    Wird der Wert als absoluter Druck angegeben, wird auch der vorhandene atmosphärische Druck mitgerechnet. Der absolute Druck wird also ab 0 Pa = komplettes Vakuum gerechnet.

    Absoluter Druck = normaler atmosphärischer Druck + Überdruck (relativer Druck)



    Zusammenfassung von Bezeichnungen:

    • P(a) : Absoluter Druck
    • P(t) : Überdruck
    • -P(t) : Vakuum

     

    Beispiele:

    • 6 bar Überdruck = 6 bar(t)
    • 7 bar absoluter Druck = 7 bar(a)
    • 0.7 bar absoluter Druck = 0.7 bar(a) oder -0,3 bar(t)
    • Formelzeichen: P
    • Einheit: Pascal
    • Formelzeichen der Einheit: Pa
    • In SI dargestellt:

    Die Ausdrücke „Überdruck“ und „Vakuum“ beziehen sich darauf, ob der Druck größer oder kleiner ist als der normal atmosphärische Druck.

    Die Qualität des Vakuums wird in verschiedenen Klassen unterschieden:

    Normal atmosphärischer Druck

    101325 Pa

    = 1,01325 bar = 1 bar

    Grobvakuum

    100 kPa ... 3 kPa

    = 1 bar ... 0,03 bar

    Feinvakuum

    3 kPa ... 100 mPa

    = 0,03 bar ... 0,001 mbar

    Hochvakuum

    100 mPa ... 1 µPa

    = 0,001 mbar ... 0,01 nbar

    Ultrahochvakuum

    100 nPa ... 100 pPa

     

    Extrem hohes Vakuum

    < 100 pPa

     

    Weltraum

    100 µPa ... < 3 fPa

     

    Perfektes Vakuum

    0 Pa

     

    In der Pneumatik wird die Maßeinheit bar sowohl für Überdruck als auch Vakuum verwendet.

    Ohne weitere Angaben versteht man in der Pneumatik unter „Druck“ den Überdruck = relativer Druck.


    In der Praxis

    Nachstehend rechnen wir beispielhaft aus, welche Kraft ein Zylinder mit angegebener Größe bei angegebenem Druck ausüben kann:

    Nach dem Pascalschen Gesetz:

    Welche Kraft übt ein Zylinder mit Durchmesser 40 mm bei 6 bar Druck aus?

    Damit wir in der Formel die richtigen Maßeinheiten verwenden, nehmen wir für den Druck die Einheit Mpa. Dies entspricht N/mm².  Längenmaße geben wir in mm an.

    Der Kolbendurchmesser des Zylinders:         

    d = 40 mm

    Die Oberfläche des Kolbens ist als Kreisfläche zu berechnen:

    Bei einem Betriebsdruck von p = 6 bar = 0.6

    Ergibt sich als Druckkraft des Zylinders nach dem Pascal-Gesetz:

    Berechnet wurde die theoretische Kraft. In der Praxis muss mit einem in Höhe von ca. 5% gerechnet werden.

    Demnach kann ein Zylinder mit  40 mm Durchmesser bei 6 bar Druck etwa 716 N Druckkraft ausüben. Dies entspricht einer Masse von ca. 73 kg.

    • p: Druck [Pascal]
    • F: Kraft [N]
    • A: Oberfläche [m2]

    Welche Kraft übt derselbe Zylinder aus, wenn wir ihn von der Endstellung in Richtung Grundstellung zurückfahren?

    Die Zugkraft desselben Zylinders ist kleiner als die Druckkraft, da ein Teil der Kolbenfläche von der Kolbenstange abgedeckt ist. D.h. es fehlt ein Stück der Oberfläche, auf die kein Druck einwirken kann. Die fehlende Oberfläche muss entsprechend abgezogen werden.

    D = Durchmesser des Kolbens                  (40 mm)

    d = Durchmesser der Kolbenstange         (16 mm)

    Nach Berechnung mit einem kalkulierten Verlust von ca. 5%, kommen wir auf folgendes Ergebnis:

    die Zugkraft des Zylinders ist etwa 601 N, gegenüber der Druckkraft von 716 N.