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Kraft- und Arbeitsmaschinen sowie Hebe- und Fördermittel (Nutzung und Funktionserhalt)

01. Was sind Maschinen?

  • Maschinen sind mechanische, aus beweglichen Teilen bestehende Vorrichtungen, die Kraft oder Energie übertragen und mit deren Hilfe bestimmte Arbeiten unter Einsparung von menschlicher Arbeitskraft ausgeführt werden können.

  • Die grundsätzliche Funktionsweise eines technischen Systems (Maschine, Anlage) ist:

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    1. Dem System werden Elemente (Energie, Stoffe, Informationen) zugeführt („Eingabe“).

    2. Die zugeführten Elemente erfahren im technischen System eine „Umsetzung“ und

    3. verlassen nach der Umsetzung das System („Ausgabe“).

zu 1.: Die zugeführten Elemente (Eingabe) können sein:

  • Energie
  • Stoffe
  • Informationen.

zu 2.: Das technische System (Umsetzung) kann sein:

  • Eine Maschine
  • eine technische Anlage
  • eine EDV-/IT-Anlage.

zu 3.: Die Ausgabe kann sein:

  • umgewandelte Energie
  • Umwandlung von Stoffen in Produktionsleistungen (z. B. Umformung
    eines Bleches mittels einer Biegemaschine)
  • Umwandlung von Informationen in den benötigten Aggregatzustand
    (z. B. Selektion und Gruppierung von Eingabedaten).

 

02. Wie unterscheidet man Kraftmaschinen und Arbeitsmaschinen?

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  • Kraftmaschinen wandeln Energie um in eine für den Menschen nutzbare Form, z. B. Umwandlung thermischer oder elektrischer Energie in mechanische Energie. Kraftmaschinen werden vor allem zum Antrieb von Arbeitsmaschinen oder Fahrzeugen eingesetzt.

    Beispiel

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    Dieselmotor, Ottomotor, Elektromotor, Turbine.

  • Arbeitsmaschinen sind stoffumsetzende Maschinen, d. h. sie bearbeiten Stoffe mit dem Ziel der Umformung.

    Beispiel

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    Stanze, Biegemaschine, Pumpe, Werkzeugmaschine, Verdichter, Fördermittel.

 

03. Wie erfolgt die Energieumwandlung in Kraftmaschinen?

Meist erfolgt eine Umwandlung in mechanische Energie, um Körper zu verformen oder ihren Bewegungszustand zu verändern. Als Arbeitsmedien werden dafür genutzt: Wasserkraft, Windkraft, Sonneneinstrahlung, Erdwärme, Muskelkraft von Mensch und Tier, Gezeitenströmung, fossile Brennstoffe usw.

  • Die Endenergie (= Energie am Ort der Verwendung = Ergebnis der Energieumwandlung) besteht aus Nutzenergie und ungenutzter Energie.

  • Bei jeder Energieumformung ist der Anteil der genutzten Energie Wirkungsgrad).

  • Primärenergie ist die ursprüngliche Energieart (z. B. Steinkohle, Kernbrennstoff, Erdöl).

  • Sekundärenergie ist umgewandelte Primärenergie (z. B. Strom, Koks, Fernwärme).

Die wichtigsten Kraftmaschinen sind:

  • Dampfkraftmaschinen:

  • → Brennstoffenergie wird über die Verwendung des erzeugten Dampfes genutzt, z. B. Dampfmaschine, Dampfmotor, Dampfturbine.

  • Wasserkraftmaschinen (auch: Strömungskraftmaschinen):

    → Die potenzielle und kinetische Energie des Wassers wird in mechanische Arbeit umgesetzt, z. B. Wasserturbinen.

  • Verbrennungskraftmaschinen:

    → Wärmeenergie wird in mechanische Energie umgewandelt, z. B. Gasturbine, ieselmotor, Ottomotor, Wankelmotor.

  • Elektromotoren:

    → Elektrische Energie wird in mechanische Energie umgewandelt, z. B. als Antrieb für Pumpen, Hebewerkzeuge, Transportsysteme.

  • Hydraulische und pneumatische Kraftmaschinen:

    → Strömungs-/Druckenergie wird in mechanische Energie umgewandelt, z. B. Hebe-/Schubvorrichtungen.

Beispiele für Energieumwandlungen durch Kraftmaschinen:

EnergieformKraftmaschine
= Energieumwandler
 Endenergie
Windkraft

Kinetische Energie
WindmühleNutzenergie
(= kinetische Energie)
+
ungenutzte Energie
(= thermische Energie, z. B. Reibung)
Windkraft

Kinetische Energie
WindkraftanlageNutzenergie
(= elektrische Energie)
+
ungenutzte Energie
Strom/Spannung

Elektrische Energie
ElektromotorNutzenergie
(= mechanische Energie)
+
ungenutzte Energie
Uran/Kernspaltung

Chemische Energie
KernkraftwerkNutzenergie
(= thermische Energie und elektrische Energie)
+
ungenutzte Energie
Oxidation von Brennstoffen
(Verbrennung)

Chemische Energie
KraftwerkNutzenergie
(= thermische Energie und/oder elektrische Energie)
+
ungenutzte Energie

 

04. Was versteht man unter Energie?

Energie E erfasst die Fähigkeit eines Körpers bzw. eines physikalischen Systems, Arbeit zu verrichten (kurz: Energie = Arbeitsvermögen). Sie ist eine Zustandsgröße. Zwischen mechanischer Arbeit W und Energie E besteht der Zusammenhang:

 

$$∆\; E = W$$

Die Energie wird in den gleichen Einheiten gemessen wie die Arbeit (J; Nm; Ws).

 

05. Was ist potenzielle Energie?

In der Mechanik wird zwischen potenzieller Energie (Lageenergie, Federenergie) und kinetischer Energie (Energie der Bewegung) unterschieden.

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Potenzielle Energie Epot (= Lageenergie, Federenergie) ist diejenige Energie, die ein ruhender Körper infolge von Krafteinwirkung (Arbeit) innerhalb eines Bezugssystems besitzt (kurz: potenzielle Energie = gespeicherte Arbeit).

Wird z. B. an einem Körper Hubarbeit verrichtet, steckt diese Arbeit dann in Form von potenzieller Energie in dem Körper. Diese Energie entspricht nicht der gesamten potenziellen Energie, sondern nur dem Zuwachs an potenzieller Energie beim Heben um die Strecke h (Ausgangspunkt kann willkürlich gewählt werden).

Wird der Körper um die Höhe h gesenkt, gibt er diese bestimmte Energie Epot ab.

Auch die zur Verformung elastischer Körper aufzuwendende Verformungsarbeit WF wird im Körper als potenzielle Energie gespeichert und als Spannungsarbeit bzw. Spannungsenergie bezeichnet.

Es gilt: Lageenergie:

 

$$E_{pot} = F \cdot s$$

Energie der Feder:

 

$$E_{pot} = \frac{D \cdot s^{2}}{2}$$

F = Kraft
s = Weg
D = Ferderkonstante

06. Was ist kinetische Energie?

Kinetische Energie Ekin (= Energie der Bewegung) ist dann in einem Körper vorhanden, wenn an ihm Arbeit verrichtet wurde (Beschleunigungsarbeit).

Durchfällt ein Körper die Höhe h, so wandelt sich seine potenzielle Energie Epot in kinetische Energie Ekin gleicher Größe um.

Es gilt:

$$E_{kin} = \frac{m \cdot  v^{2}}{2}$$

Ekin = kinetische Energie in J
m = Masse des Körpers in kg
v = Geschwindigkeit des Körpers in m/s

  $$∆ E_{kin} = \frac{m(v_2^{2} - v_1^{2})}{2}$$

v1 = Geschwindigkeit 1 in m/s
v2 = Geschwindigkeit 2 in m/s

D. h., eine Geschwindigkeitsänderung von v1 auf v2 hat eine Änderung der kinetischen Energie zur Folge.

07. Was sagt der „Satz von der Erhaltung der mechanischen Energie“ aus?

Entsprechend dem allgemeinen Energieerhaltungssatz kann Energie nicht erzeugt oder vernichtet, sondern nur übertragen oder umgewandelt werden: ∑ E = konstant. Bezogen auf das Teilgebiet der Mechanik bedeutet das:

In einem abgeschlossenen mechanischen System bleibt die Summe der mechanischen Energie (potenzielle und kinetische Energie) konstant:

 

$$E_{pot} + E_{kin} = konstant$$

 

08. Was ist Arbeit?

Unter Arbeit W versteht man das Produkt aus Kraft und Weg (vgl. Frage 05.):

 

$$W = F \cdot s$$

 

$$[W] = Joule;\; 1\; J = 1\; Nm = 1\; Ws$$

Folgende Arten der Arbeit werden unterschieden:

  • Hubarbeit F = konstant; v = konstant z. B.: ein Kran, der ein Bauteil anhebt

  • Reibungsarbeit F = konstant; v = konstant z. B.: horizontal bewegter Schlitten

  • Federspannarbeit auch: Verformungsarbeit; F ~ s; elastische Verformung z. B.: Spannen eines Expanders

  • Beschleunigungsarbeit F = konstant; v ≠ konstant z. B.: Anfahren eines Fahrzeugs

 

09. Was ist Leistung?

Durch die Leistung P wird erfasst, in welcher Zeit t eine bestimmte Arbeit verrichtet wird:

 

$$Leistung = \frac{Arbeit}{benötigte\; Zeit}$$

 

$$P = \frac{W}{t}$$

 

$$[P] = W;\; 1\; W = 1\; J/s = 1\; Nm/s$$

  • Konstante Leistung:

    Wenn in gleichen Zeitabschnitten ∆ t = t2 – t1 stets die gleiche Arbeit W verrichtet wird, dann ist die Leistung P konstant:

     

    $$P = \frac{W}{t}$$

  • Durchschnittsleistung:

    Allgemein wird bei Vorgängen in der Natur und in der Technik (Maschinen, Fahrzeuge u. Ä.) die Arbeit (zeitlich) ungleichmäßig verrichtet. Dann ist die Leistung nicht konstant. Die mittlere Leistung, auch Durchschnittsleistung PD, für das Zeitintervall ∆ t ist dann der Quotient:

     

    $$P_{D} = \frac{W}{∆\; t}$$

  • Momentanleistung:

    Die Momentanleistung PM muss mittels Differenzialquotient bestimmt werden:

     

    $$P_{M} = \frac{dW}{dt}$$

    Umgeformt ergibt sich für die Momentanleistung:

     

    $$Momentanleistung = Momentankraft \cdot Momentangeschwindigkeit$$

     

    $$P_{M} = F_{M} \cdot v_{M}$$

 

10. Was bezeichnet man als Wirkungsgrad?

Unter dem Wirkungsgrad η (eta) versteht man das Verhältnis der abgegebenen bzw. nutzbaren Leistung Pab zur zugeführten Leistung Pzu:

 

$$η = \frac{P_{ab}}{P_{zu}}$$

Es ist häufig zweckmäßiger, den Wirkungsgrad nicht als Verhältnis zweier Leistungen, sondern als Verhältnis zweier Arbeiten auszudrücken: Dann ist der Wirkungsgrad

 

$$η = \frac{Nutzarbeit}{Gesamtarbeit} = \frac{W_{ab}}{W_{zu}}$$

Da die von einer Maschine abgegebene Arbeit Wab stets kleiner ist als die zugeführte Arbeit Wzu, ist der Wirkungsgrad η jeder Maschine immer kleiner als 1 [0 

Bei mehrfacher Energieumsetzung bzw. -übertragung ist der Gesamtwirkungsgrad ηges das Produkt der einzelnen Wirkungsgrade:

 

$$η_{ges} = η_{1} \cdot η_{2} \cdot … \cdot η_{n}$$

 

11. Wie erfolgt bei Arbeitsmaschinen die Umwandlung zugeführter Energie in mechanische Arbeit?

Arbeitsmaschinen sind stoffumsetzende Maschinen, d. h., sie bearbeiten Stoffe mit dem Ziel der Umformung, z. B. Stanz-/Biege-/Werkzeugmaschinen, Pumpen, Verdichter, Fördermittel.

Mithilfe der zugeführten Energie werden die Stoffe in angestrebte Zustände gebracht; diese können z. B. sein:

  • Veränderung der geometrischen Form, z. B. walzen, schmieden, trennen

  • Veränderung der Stoffeigenschaften, z. B. glühen, härten

  • Veränderung des Ortes, z. B. Fördertechnik.