Berechnung und Funktionsbeschreibung eines doppeltwirkenden Pneumatikzylinders

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Fachwissenschaftliche Analyse
2.1 Auswahl des Fachinhalts
2.2 Berechnung und Funktoinsgrundlage eines Pneumatikzylinders

3. Didaktische Analyse
3.1 Bedingungsanalyse
3.2 Exemplarische Bedeutung
3.3 Gegenwartsbedeutung
3.4 Zukunftsbedeutung
3.5 Sachstruktur
3.6 Didaktische Reduktion

4. Handlung benennen

5. Kurze Erläuterungen zu den Aufgabenstellungen

6. Literaturverzeichnis

7. Abbildungsverzeichnis

8. Anhang
8.1 Abbildungen der CNC Fräsmaschine
8.2 Arbeitsblätter mit den dazugehörigen Lösungen

1. Einleitung

Für den zu realisierenden Unterrichtsentwurf hat sich der Autor der hier vorliegenden Arbeit den Ausbildungsberuf des Mechatronikers ausgesucht. Mechatroniker sind Metallfachkräfte und Elektrofachkräfte in einem. Die Ausbildung dauert in der Regel 3,5 Jahre und ist so gestaltet, dass sie selbstständig an mechanischen und elektrotechnischen Anlagen arbeiten dürfen. Ebenso sind die Grundlagen der Pneumatik, Hydraulik und der Steuerungstechnik notwendig. Die Ausbildung kann, wenn möglich auf drei Jahre verkürzt werden. Mechatroniker können vielseitig eingesetzt werden. Zum Beispiel für die Wartung, Inbetriebnahme oder Montage von mechatronischen Systemen. Diese Tätigkeiten werden an unterschiedlichen Arbeitsorten durchgeführt. Da das Ausbildungsspektrum breit gefächert ist, können unterschiedliche Schwerpunkte gesetzt werden. Beispielsweise werden in manchen Unternehmen die Schwerpunkte am Elektroniker orientiert. Der Grund dafür ist die unterschiedliche Spezialisierung in den Betrieben. Dies kann zum einen die elektronische aber auch die mechanische Instandhaltung sein. Die Einsatzgebiete der Mechatroniker sind ganz verschieden. Von Automobilbau bis Stahlindustrie über Elektroindustrie ist alles möglich. Die Ausbildungsvergütung der verschiedenen Lehrjahre liegt zwischen 830 – 1120€ Brutto. Das Einstiegsgehalt liegt bei durchschnittlich 2000 – 2500€.^[1]

Der Beruf Mechatroniker gibt es seit 1998. 2011 wurde die gestreckte Abschlussprüfung eingeführt. Das bedeutet, dass die damalige Zwischenprüfung in gewissem Maß in die Endnote der Abschlussprüfung mit einfließt.^[2] Als Mechatroniker sollte man bestimmte Eigenschaften mitbringen. Dazu gehören Spaß an den auszuführenden Tätigkeiten, Gewissenhaftigkeit, Englischkenntnisse, logisches Denken, Reisebereitschaft für anstehende Montagen und Teamarbeit.

Die Ausbildung ist inhaltlich festgelegt in Ausbildungsordnung und Rahmenlehrplan. Die Ausbildungsordnung enthält Vorgaben zum betrieblichen Ausbildungsplan. Die Inhalte des Rahmenlehrplanes werden durch die Kultusministerkonferenz festgelegt und mit den Inhalten des betrieblichen Ausbildungsplans abgeglichen. Anschließend werden auf Basis der Rahmenlehrpläne länderspezifische Lehrpläne für den Ausbildungsberuf verfasst.

Der Mechatroniker ist zwar ein Beruf, der hauptsächlich in der Industrie ausgeübt wird, nichts desto trotz gibt es ihn aber auch im Handwerk. Der Großteil der Auszubildenden hat zu Beginn der Ausbildung den Realschulabschluss. Dem gefolgt ist der Hochschulabschluss. Nur wenige Auszubildende haben den Hauptschulabschluss oder gar keinen Schulabschluss.^[3]

2. Fachwissenschaftliche Analyse

2.1 Auswahl des Fachinhalts

Seit den 1950er Jahren gewinnen automatisierte Steuerungen immer mehr an Wert. Besonders pneumatische Steuerungen sind heutzutage aus der Automatisierung nicht mehr weg zu denken. Daher ist die Erstellung, Wartung, Berechnung und Auslegung für Mechatroniker oder auch für andere Berufe wie Industriemechaniker von großer Bedeutung.

Im Lernfeld sieben „Realisieren mechatronischer Teilsysteme“^[4] erhalten die Auszubildenden des 2. Lehrjahres einen Einblick in Strukturen, Systemen und Teilsystemen der Mechatronik. Dazu gehören auch pneumatische Komponenten. Im Folgenden werden die Grundlagen eines Pneumatikzylinders fachwissenschaftlich aufgearbeitet.

2.2 Berechnung und Funktionsgrundlage eines doppeltwirkenden Pneumatikzylinders.

Einen Grundbestandteil automatisierter pneumatischer Steuerungen stellt der Pneumatikzylinder da. Der Zylinder macht sich die physikalische Wechselwirkung zwischen Druck, einer Fläche und der senkrecht auf die Fläche wirkenden Kraft zunutze und ist somit ein Arbeitsglied.

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

Das Wirkungsprinzip und der Grundaufbau eines Pneumatikzylinders sind immer gleich. Er besteht aus Zylinderrohr, Boden- und Lagerdeckeln, Dichtungen, Kolbenstange und Kolben. Boden und Deckel sind luftdicht mit dem Zylinderrohr verbunden. Die Kolbenstange und der Kolben befinden sich im inneren des Pneumatikzylinders. Diese sind miteinander fest verbunden und lassen sich axial entlang des Zylinderrohres verschieben. Die Kolbenstange wird durch ein Loch im Lagerdeckel axial geführt. Diese Führung ist ebenfalls luftdicht. Die beiden nun entstehenden Kammern im Zylinder werden mit einer Dichtung luftdicht von einander abgetrennt. Jede dieser Kammern hat einen Anschluss, an dem die Luftversorgung angeschlossen werden kann.^[5]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten^[6]

Wenn nun Luft in eine der beiden Zylinderkammern gelangt wird entweder die Kreisfläche des Kolbens, oder die Kreisringfläche des Kolbens mit einem bestimmten Druck beaufschlagt. Dieser Druck führt nun zu einem aus- oder einfahren der Kolbenstange mit einer definierten Kraft. Die Luft in der gegenüberliegenden Kammer wird durch die Bewegung verdrängt und kann durch den nicht mit Druck beaufschlagten Luftanschluss ungehindert entweichen. Damit ergibt sich aus der physikalischen Grundgleichung die umgestellte Gleichung F = p * A.^[7]

Diese standartmäßige Bauform besitzt zwei Besonderheiten. Zum einen sind die Verfahrgeschwindigkeiten beim Einfahren höher, da die Kolbenstangenseite ein kleineres Kammervolumen aufweist als die Kammer ohne Kolbenstange. Zum anderen ist die Schubkraft F bei gleichem Druck aufgrund der größeren Kolbenfläche (F = p * A) beim Ausfahren größer.

3. Didaktische Analyse

3.1 Bedingungsanalyse

Das zweite Lehrjahr einer Berufsschulklasse der Mechatroniker ist größtenteils heterogen in Bezug auf Herkunft, Bildungsstand und Sozialisation. Diese Heterogenität der Schülerinnen und Schüler durch methodische Vielfalt, sowie breite Medien- und Materialwahl zu berücksichtigen. Dieser Umstand führt häufig zu mangelnder Förderung der einzelnen Schüler. Oft sind leistungsstarke Schüler unterfordert und leistungsschwache Schüler überfordert. Um diese Schüler im Unterricht nicht komplett voneinander zu trennen, wäre es möglich, durch Partner und Gruppenarbeit die leistungsschwachen Schüler durch leistungsstarke Schüler zu unterstützen.

3.2 Exemplarische Bedeutung

Durch die Funktionsweise von Pneumatikzylindern lassen sich die physikalische Größen Druck und Kraft sehr gut veranschaulichen. Der in der Regel konstante Druck führt zu einer weiteren Vereinfachung der physikalischen Grundformel und der einfache Aufbau von Pneumatikzylindern macht es den Schülern verhältnismäßig leicht, die Grundlagen des physikalischen Kräftebegriffes und den physikalischen Zusammenhang zwischen Druck, Kraft und Fläche zu verstehen. Das Übertragen auf relativ verwandte Inhalte in der Hydraulik erleichtert das Wissen über die Funktionsprinzipien von verschiedenen Bauteilen in diesem Bereich.

3.3 Gegenwartsbedeutung

Mechatroniker im 2. Lehrjahr werden währen ihrer Ausbildung im Lernfeld sieben das erste Mal am Berufskolleg mit steuerungstechnischen Automatisierungsprozessen konfrontiert. Inwiefern sie bereits mit dem Thema in Berührung gekommen sind, ist dabei vor allem vom Ausbildungsbetrieb abhängig. Zwar sind die Inhalte als Teil der Zwischenprüfung verpflichtend, jedoch kann es grade bei kleinen Ausbildungsbetrieben bei dieser Thematik mangeln. In der Regel sind die Fachinhalte ein ziemlich neues Feld für die Schülerinnen und Schüler.

3.4 Zukunftsbedeutung

Da die immer weiter fortschreitenden Automatisierungsprozesse in der Industrie besonders Kenntnisse der Pneumatik erfordert, muss den Inhalten pneumatischer Systeme, insbesondere den Kerninhalten wie im hier vorliegenden Fall, hohe Bedeutung für die berufliche Zukunft der Auszubildenden zugeschrieben werden. Die Wahrscheinlichkeit, in Zukunft beruflich mit pneumatischen Systemen konfrontiert zu werden, ist sehr hoch. Gerade auch, weil pneumatische Systeme sehr flexibel sind und das Arbeitsmedium immer verfügbar ist.

3.5 Sachstruktur

Das am häufigsten verwendete Arbeitsglied pneumatischer Systeme ist der Pneumatikzylinder. Neben dem Verständnis des Grundaufbaus des Zylinders und im Hinblick auf dessen Funktion müssen die Schülerinnen und Schüler auch die Grundlagen des physikalischen Druckes verstehen. Da es um eine thematische Einführung in ein Standardbauelement der Pneumatik geht, sind diese Inhalte äußerst wichtig für die Schülerinnen und Schüler. Auf einer ersten inhaltlichen Stufe müssen die physikalischen Zusammenhänge des Druckbegriffes eingeführt werden. Eine zweite inhaltliche Ebene behandelt den Aufbau des Zylinders und seine mechanischen Einzelteile an sich. Auf einer dritten inhaltlichen Ebene werden die physikalischen Größen Druck und Kraft erläutert, auf die Bauteile des Zylinders und ihre Geometrie bezogen und durch die Wechselwirkungen dieser Größen untereinander die Funktion des Zylinders erklärt. Die genannten Ebenen sind hierbei als Teillernziele auszulegen. Eine erfolgreiche Aufarbeitung der Inhalte im Zusammenspiel leistungsstärkerer und leistungsschwächerer Schüler kann als vorrangiges soziales Lernziel definiert werden.

[...]

^[1] https://www.ausbildung.de/berufe/mechatroniker/ abgerufen am 22.02.2018 um 14:00.

^[2] http://www.abschlusspruefung.de/abschlusspruefung-mechatroniker/ abgerufen am 22.02.2018 um 14:05.

^[3] https://berufenet.arbeitsagentur.de/berufenet/bkb/2868.pdf abgerufen am 22.02.2018 um 14:10.

^[4] http://www.ab.tu-berlin.de/fileadmin/ref22/Downloads/AO-Rahmenlehrpl%C3%A4ne/Rahmenlehrplan_METR.pdf abgerufen am 22.02.2018 um 15:00Uhr.

^[5] vgl. Dobler, H., Fachkunde, 2003, S. 448f.

^[6] http://www.maschinenbau-wissen.de/skript3/fluidtechnik/pneumatik/257-pneumatikzylinder-arten abgerufen am 22.02.2018 um 15:10Uhr.

^[7] vgl. Biel, O., Metalltechnik, 2004, S. 258.