Liebherr R 938 -Pneumatischer Bagger

Die Kraft der Druckluft spielerisch entdecken!

Erlebe die Faszination eines detailgetreuen Hydraulikbaggers – mit dem Pneumatischen Bagger Liebherr R 938 von fischertechnik. Mit 689 hochwertigen Teilen, einem Pneumatikkompressor, Handventilen und präzisen Abluftdrosseln kannst du beeindruckend realistische Bewegungen steuern. Ob als Kind oder „Erwachsener“ – entdecke den Spaß am Konstruieren und erlebe Technik hautnah. Perfekt für alle, die Liebe zum Detail und Begeisterung für Bauprojekte teilen.

Das Modell Liebherr R 938 von fischertechnik

Die hydraulischen Bewegungen werden im Modell mit Pneumatik und Abluftdrosseln realistisch nachgeahmt.

Druckluft ist aus dem Alltag kaum noch wegzudenken. Du begegnest ihr wahrscheinlich täglich in unterschiedlichen Formen. Das kann schon bei deinem Frühstücksei am Morgen anfangen, das vielleicht mit Hilfe pneumatischer Sauggreifer verpackt wurde.

Das Wort Pneumatik stammt vom griechischen Wort „pneuma“ ab und bedeutet „Luft“. In der Pneumatik geht es vor allem darum, mit Luft Bewegungen zu erzeugen und mechanische Arbeit zu verrichten. Man kann fast alles mit Druckluft antreiben. Sie kann alternativ zur Muskelkraft oder jeder anderen Energie wie z. B. Strom, Wasser, Hydrauliköl oder Windkraft angewandt werden.

Heute ist Pneumatik im Alltag immer noch überall zu finden. Egal ob vom Aufpumpen eines Luftballons über den Presslufthammer im Straßenbau, das Tauchen mit Druckluft, Lackieren, Airbrush-Techniken, Druckluft-Sirenen, Geschwindigkeitsmessung mit Staudüsen bei Flugzeugen bis zu großen industriellen Anlagen – überall wird Pneumatik eingesetzt!

Welche Vorteile bietet die Pneumatik?

Die Vorteile der Pneumatik sind, dass …

Druckluft gespeichert werden kann
Druckluft über große Entfernungen durch Rohre und Schläuche oder in entsprechenden Behältern transportiert werden kann
Druckluft sauber ist und keine Verschmutzungen verursacht
mit Druckluft Bewegungen schnell ausgeführt werden können
mit Pneumatikzylindern viele Bewegungen ohne aufwändige Mechanik realisiert werden können
sie explosionssicher ist

Ein wenig Geschichte

Schon im dritten Jahrhundert v. Chr. beschäftigte sich der griechische Mathematiker und Erfinder Ktesibios mit Druckluft und den dadurch entstehenden spannenden Möglichkeiten. So entwickelte er erste, mit Druckluft betriebene Maschinen, wie zum Beispiel ein Katapult, das mit Druckluft Kugeln und Speere fortschleuderte.

Eine sehr bekannte Druckluftanlage ist die von Heron von Alexandria, welcher mit dem Altarfeuer Druckluft erzeugte und somit die großen Tempeltüren wie von Geisterhand zum Öffnen brachte. Durch die Wärme des Altarfeuers wurde die Luft in einem Druckbehälter erwärmt, welcher zur Hälfte mit Wasser befüllt war. Erwärmt man Luft, dehnt sie sich aus und der Luftdruck steigt. Die sich ausdehnende Luft brauchte mehr Platz und drückte das Wasser aus dem Druckbehälter in einen Wasserbehälter, welcher sich durch die Gewichtszunahme absenkte und somit die Türen öffnete.

Seit Anfang des 20. Jahrhunderts wird Pneumatik als Antriebs- und Steuerungstechnik in der Industrie eingesetzt. In der Baumaschinen- und Landmaschinenindustrie wird das Thema Pneumatik z. B. zum Antrieb von Hämmern und Bohrern angewandt. Auch in der Fördertechnik findet die Saug- und Druckpneumatik z. B. in Getreidemühlen beim Ansaugen von Getreide und bei der Beförderung von Mehl ihre Anwendung. Sogar in der Musikindustrie finden wir Pneumatik, z. B. im Orgelbau. In einem Pianola, einem selbstspielenden Klavier, werden die Tasten pneumatisch gesteuert. In der Automobilindustrie, der Textil- und Lebensmittelindustrie, der Elektrotechnik, sogar im Weltall und in vielen weiteren Bereichen des Alltags findet man Anwendungen der Pneumatik.

Eine pneumatische Anlage besteht aus fünf Teilsystemen.

Drucklufterzeugung
Druckluftverteilung
Druckluftaufbereitung
Bewegungserzeugung durch Pneumatikzylinder
Steuerung der Bewegung durch Ventile

Druckluft kann mit einem Kompressor, Verdichter oder einer Luftpumpe erzeugt und in Druckluftflaschen und anderen Druckbehältern gespeichert werden.

Die Membranpumpe als Kompressor

Dein fischertechnik Kompressor ist eine Membranpumpe. Sie liefert dir die nötige Druckluft, mit der du die einzelnen Modelle steuern kannst. In der Industrie spricht man von der Druckluftquelle.

Funktionsweise:
Eine Membranpumpe besteht aus zwei Kammern, die durch eine Membran getrennt sind, daher kommt auch der Name des Bauteils. In der einen wird die elastische Membran durch einen Kolben und einen Exzenter auf- und ab bewegt. Beim Abwärtshub wird die Membran nach hinten gezogen und in der zweiten Kammer wird über das Einlassventil Luft angesaugt. Beim Aufwärtshub des Kolbens drückt die Membran die Luft über das Auslassventil aus dem Pumpenkopf hinaus.

Hinweis:
Der vom Kompressor erzeugte Überdruck beträgt ca. 0,7 bis 0,8 bar. Die Membranpumpe ist wartungsfrei. Es ist wichtig, dass du als Stromversorgung für den Kompressor eine 9 V-Alkaline-Batterie verwendest.

Druckluftverteilung
Die blauen Schläuche sind die Transportmittel der Druckluft. Sie transportieren die Druckluft dorthin, wo sie benötigt wird. Du kannst die Luftleitungen vom Kompressor bis zu den Ventilen und Zylindern legen.

Druckluftaufbereitung
Damit in der Industrie die Pneumatik Komponenten richtig funktionieren ist es wichtig, dass die Druckluft entsprechend aufbereitet wird. Dazu muss die Luft gefiltert, gekühlt, entfeuchtet und falls vorhanden das Öl entfernt werden. Bei den Modellen des Baukastens Strong Pneumatics ist dies allerdings nicht notwendig.

Pneumatikzylinder

Um mit Luft Bewegungen zu erzeugen, verwenden wir Pneumatikzylinder. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen „einfachwirkenden“ und „doppeltwirkenden“ Zylindern. Im Baukasten Strong Pneumatics sind zwei verschieden große Pneumatikzylinder mit gleicher, „doppeltwirkender“ Funktionsweise enthalten.

Die blaue Kolbenstange ist beweglich und der Zylinder abgedichtet. Bläst man durch einen der beiden Schlauchanschlüsse Luft in den Zylinder, bewegt sich die Kolbenstange. Bläst man auf der gegenüberliegenden Seite hinein fährt der Kolben zurück. Der Kolben kann also in beiden Bewegungsrichtungen aktiv arbeiten. Der Anschluss, über den man die Kolbenstange ausfährt, wird als Anschluss A bezeichnet, der Anschluss zum Einfahren nennt man Anschluss B. Da die Kolbenstange des Zylinders, mit Luft sowohl aus- als auch
eingefahren werden kann, nennt man den Zylinder „doppeltwirkender Zylinder“. Um dies in der Praxis anzuschauen, führe einen Versuch durch.

Versuch:

Befestige an dem Anschluss A eines Zylinders ein Stück des schwarzen Schlauches und verbinde ihn mit dem Schlauchanschluss des Kompressors, der bereits an den Batteriehalter angeschlossen ist. Wenn du den Kompressor dann einschaltest, fährt die Kolbenstange aus. Da es ein doppeltwirkender Zylinder ist, fährt der Kolben wieder zurück, wenn du den Schlauch an den Anschluss B ansteckst und mit dem Kompressor wieder Druckluft zuführst.

Wie bereits erwähnt gibt es aber auch „einfachwirkende Zylinder“. Bei diesen Zylindern kann sich die Kolbenstange nur in eine Richtung bewegen. Für die Bewegung in die andere Richtung verwendet man oft eine Feder.

Um zu zeigen, dass man Luft zusammendrücken kann, führe einen weiteren Versuch durch.

Versuch:

Jetzt fährst du den Kolben des Zylinders nochmal aus, indem du wieder deinen schwarzen Schlauch, der mit dem Kompressor verbunden ist, an den Anschluss A ansteckst und Druckluft zuleitest. Nachdem die Kolbenstange ausgefahren ist, wechselst du den Schlauchanschluss auf B und hältst dabei den Anschluss A mit dem Finger zu.

Beobachtung:

Die Kolbenstange lässt sich nur ein kleines Stück hineindrücken. Weißt du auch warum?

Erklärung:

Da du mit deinem Finger den Luftanschluss A zugehalten hast, kann die Luft im Zylinder nicht entweichen. Aber die Luft lässt sich zusammendrücken. Aus diesem Grund wurde die Kolbenstange ein bisschen hineingedrückt. Je mehr Luft zusammengepresst wird, desto größer wird der Druck im Zylinder. Diesen Druck kann man mit einem Manometer messen. Die Einheit für den Druck ist „bar“ oder „Pascal“. Die Höhe des Drucks lässt sich auch berechnen. Die Formel zur Berechnung der Höhe des Drucks lautet:

Druck = Kraft/Fläche oder kurz gesagt p = F/A

Mit der Formel kannst du erkennen, dass die Höhe des Drucks davon abhängig ist, wie viel Kraft man auf die runde Fläche im Zylinder ausübt.

Wie du in deinen Versuchen erkannt hast, ist es ziemlich umständlich, die Schläuche immer wieder umzustecken. Diese Arbeit wird dir von Ventilen abgenommen, die dir im nächsten Kapitel genau erklärt werden.

Ventile

In der Pneumatik hat ein Ventil die Aufgabe, den Luftstrom zum Pneumatikzylinder so zu steuern, dass der Zylinder entweder aus- oder einfährt. Ein Ventil kann man mechanisch, elektrisch, pneumatisch oder von Hand betätigen.
Im Baukasten sind Handventile enthalten. Diese Ventile besitzen jeweils vier Anschlüsse:

Über den mittleren Anschluss P wird die Druckluft vom Druckluftspeicher zugeführt. Der linke oder rechte Stutzen (A oder B) steuert die Druckluft zum Anschluss A oder Anschluss B des Zylinders. Der Anschluss R an der unteren Seite des Ventils dient als Entlüftung. Durch diesen entweicht die Luft, die vom Zylinder zurückkommt. Um die Funktionsweise des Ventils zu testen, führe folgenden Versuch durch.

Versuch:
Verbinde den Kompressor, der bereits an den Batteriehalter angeschlossen ist, mit einem deiner Ventile. Nimm dazu ein Stück des schwarzen Schlauches und befestige ihn am Schlauchanschluss des Kompressors und am Anschluss P des Ventils. Die anderen Anschlüsse lässt du frei. Stelle den blauen Schalter des Handventils auf die Mitte und schalte den Kompressor ein.

Beobachtung:
Es passiert überhaupt nichts.

Erklärung:
Wenn du den Schalter des Handventils auf die Mitte stellst, sind die Anschlüsse verschlossen und die Luft kommt nirgends durch.

Nächster Versuch:
Drehe den Schalter des Ventils nun nach rechts und schalte wiederum den Kompressor ein. Tippe währenddessen mit einem Finger immer auf die freigelassenen Stutzen A und B. Mache dasselbe, wenn du den Ventilschalter nach links gedreht hast.

Beobachtung:
Die Luft strömt immer durch den Anschluss A wenn du den blauen Schalter des Ventils nach rechts drehst und durch den Anschluss B wenn du den Schalter nach links drehst.

Erklärung:
Die Abbildung hilft dir zu verstehen, wie die Luft durch das Ventil fließt, wenn du die Schalter in die verschiedenen Richtungen drehst. Der blaue Strich ist hierbei die Druckluft, die durch das Ventil strömt. Die schwarzen Linien zeigen dir, wie die Luft fließt, die vom Zylinder zurückkommt.

Das Ventil besitzt also vier Anschlüsse und drei Schaltstellungen (Mitte – Links – Rechts). Aus diesem Grund wird das Ventil in der Pneumatik als 4/3-Wege-Ventil bezeichnet.

Abluftdrossel

Bist du schon mal im Garten auf den Wasserschlauch gestanden oder hast diesen geknickt? Wenn ja, dann hast du dabei bestimmt festgestellt, dass plötzlich weniger Wasser aus dem Schlauch kommt. Aber warum ist das so? Durch den Knick im Schlauch hat das Wasser weniger Platz zum Fließen, es wird also gedrosselt und somit langsamer. Genau dasselbe passiert in der Pneumatik, wenn die Luft im Transportmittel, in unserem Fall dem schwarzen Schlauch, eingeengt wird und weniger Platz zum Durchdringen hat.
Du fragst dich nun vielleicht, wieso wir das überhaupt gewollt machen sollten?
Durch das Drosseln der Luft, können die unterschiedlichen Bewegungen langsamer und kontrollierter ausgeführt werden.

Industriell eingesetzte Pneumatik wird meistens mit einem Druck zwischen 6 und 8 bar betrieben. Damit können Pneumatikzylinder bei Bedarf sehr kräftig und vor allem sehr schnell ausfahren. Oft wird zwar eine kräftige, aber langsame und kontrollierte Bewegung benötigt. Eine zu schnelle Bewegung könnte Maschinenteile, zu handhabende Werkstücke oder auch Menschen gefährden.
Um Zylinder also langsam zu verfahren, wird die Druckluft gedrosselt. Wir lassen weniger Luft pro Zeit durch einen Schlauch oder eine Leitung strömen, indem wir einfach den Querschnitt der Leitung verengen.

Versuch:
Baue das Funktionsmodell und führe die folgenden Versuche durch:

Drossle die Abluft nicht, indem du die blaue Schraube nur so weit in das Gehäuse eindrehst, dass der Schlauch nicht zusammengedrückt wird. Beobachte, wie schnell der Zylinder aus- oder einfährt.
Drossle nun die Abluft immer mehr, indem du die blaue Schraube schrittweise immer weiter eindrehst. Beobachte den Zylinder wieder. Was fällt dir auf?

Du siehst, die Abluftdrossel hilft dir dabei, die Aus- oder Einfahrgeschwindigkeit des Zylinders einzustellen.