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O+P Fluidtechnik 6/2020

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O+P Fluidtechnik 6/2020

ANTRIEBSTECHNIK

ANTRIEBSTECHNIK FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED Tabelle 01: Systemkonfigurationen zur Leistungsanpassung bei Traktor-Geräte-Kombinationen Traktorschnittstelle Mechanisch 01 Entwickeltes Vorgehensmodell Vorhandene Maschinendaten 1 Präzisieren des Zielsystems 2 3 Analyse der aktuellen Antriebstopologie Aufspannen des Lösungsraums und Bewertungskriterien definieren 4 Bildung von Antriebssystemen 5 Bildung von Versorgungssystemen 6 Entwurf der virtuellen Gesamtsysteme 7 Konzeptauswahl Weitere Realisierung Bewertungskriterien abgeleitet werden, anhand derer in den nächsten Arbeitsschritten eine Bewertung und Auswahl erfolgen kann. Darüber hinaus bietet die in Schritt zwei durchgeführte Analyse die Möglichkeit neue Antriebskonzepte einer bestehenden Maschine gegenüberzustellen. Eine initiale Vorabbewertung bildet den Übergang zum vierten Entwicklungsschritt, bei dem die Abtriebsseite, häufig der Prozessantrieb, im Fokus der Betrachtung steht. Dabei werden zunächst die Motor-Getriebe-Kombinationen ermittelt, die die geforderten Drehzahl- und Drehmoment-Anforderungen erfüllen. Diese stellen die Anzahl der Komponenten dar, die im nächsten Schritt kombiniert werden kann, um Mehrverbrauchersysteme (Abtriebssysteme) zu Leistungsanpassung auf dem Anbaugerät Wandler 1 Übertrager Wandler 2 – Mechanisch – Mechanisch / elektrisch Elektrisch Elektrisch / mechanisch Bewertungssystem bilden. Unter Variation der im Folgenden aufgeführten Komponenten- und Systemparameter lassen sich neue Abtriebssysteme generieren: 1. Komponentenparameter n Komponententyp (Außenzahnradmotor, Asynchronmotor, Stirnradgetriebe, Riemengetriebe, etc.) n Skalierungsfaktor (Schluckvolumen, Polpaarzahl, Übersetzung) 2. Systemparameter n Antriebstechnologie (elektrisch, hydraulisch, mechanisch) n Topologie (Reihen-, Parallelschaltung oder Mischanordnungen) n Art der Leistungsanpassung (Primärreglung und/oder Widerstandssteuerung) Um die sich ergebenden Konfigurationen hinsichtlich der Effizienz vergleichen zu können, gilt es diese, unter Zuhilfenahme von Messdaten, zu berechnen. Anhand der Berechnungsergebnissen kann die existierende Bewertung weiter verfeinert werden, was die Grundlage des zweiten Auswahlprozesses bildet. Entwicklungsschritt Nummer fünf widmet sich der Bildung der generatorischen Systemseite (Versorgungssysteme). Hierzu werden den Abtriebssystemen generatorische Systemkomponenten zugewiesen. Das Vorgehen ähnelt dem Ablauf des Schritts vier und wird ebenfalls durch eine Bewertung mit anschließender Konzeptauswahl abgeschlossen. Die verbleibenden Antriebskonzepte stehen in Entwicklungsschritt sechs zur Bildung verschiedener Maschinenkonzepte zur Verfügung. Anhand der erstellten Bewertungen wird in Entwicklungsschritt sieben die abschließende Konzeptauswahl objektiviert. Dieser abschließende Schritt bildet die Ausgangsposition für weitere detailliertere Auslegungsschritte. BEWERTUNGSSYSTEM Prozessantrieb Mechanisch / hydraulisch Hydraulisch Hydraulisch / mechanisch Mechanisch Hydraulisch – (Hydraulisch) Hydraulisch / mechanisch Elektrisch – (Elektrisch) Elektrisch / mechanisch Elektrisch / hydraulisch Hydraulisch Hydraulisch / mechanisch Neben den technischen Randbedingungen, die in den Entwicklungsschritten vier und fünf eingesetzt werden, um Lösungsräume einzugrenzen, soll das Bewertungssystem eine zusätzliche Möglichkeit zur Eingrenzung bieten. Hierzu wurden drei Bewertungsebenen definiert, in denen die Lösungsräume der Entwicklungsschritte drei bis fünf bewertet werden. Die initiale Vorabbewertung durch die erste Bewertungsebene dient insbesondere der Auswahl einer geeigneten Antriebstechnologie anhand weicher Entwicklungskriterien wie beispielsweise einer Schmutzempfindlichkeit oder freien Platzierbarkeit von Antriebskomponenten. Darüber hinaus werden harte Bewertungskriterien wie das Bauvolumen oder das Gewicht einer Antriebskomponente genutzt, um eine erste Komponentenauswahl auf Basis deterministischer Bewertungskriterien zu ermöglichen. Zur Bewertung werden die Komponenteneigenschaften anhand der erforderlichen Antriebsleistung für einen Prozessantrieb berechnet. Hierzu notwendige Komponen- 40 O+P Fluidtechnik 2020/06 www.oup-fluidtechnik.de

ANTRIEBSTECHNIK teneigenschaften wie beispielsweise die mittlere Leistungsdichte oder das mittlere Leistungsgewicht werden, wie in Bild 02 dargestellt, dem Bewertungssystem aus einer aufgebauten Komponenten-Datenbank zur Verfügung gestellt. Die Berechnung der Komponentenparameter innerhalb des vierten und fünften Entwicklungsschritts wird in den verbleibenden zwei Bewertungsebenen genutzt, um die Bewertung zu konkretisieren. AUFBAU DES BERECHNUNGSWERKZEUGS Aufgrund der variierenden Systemtechnologie wurde für eine technologieübergreifende Beschreibung und Darstellung die aus der Mechatronik bekannte Systemtheorie aufgegriffen. Hierbei werden vorhandene Parallelen zwischen Technologien genutzt, um ein allgemein gültiges Systemverständnis zu erlangen. [12] Diese Darstellungsform sowie die vorgenommenen Anpassungen werden anhand der in Bild 03 gezeigten Darstellung im Folgenden diskutiert. Wie das Beispiel eines hydraulischen Antriebs zeigt, werden Pumpen und Motoren unter dem Symbol der Wandler zusammengefasst. Diese wandeln die Energieform von beispielsweise mechanischer Form in eine hydraulische (Pumpe). Die Richtung der Wandlung wird durch eine eingefärbte Fläche grafisch hervorgehoben. Elemente wie Getriebe ändern die Energieform nicht, sondern nur ihre Ausprägung. Im gegebenen mechanischen Beispiel ändert sich das Verhältnis der mechanischen Eingangs- zu Ausgangsgrößen. Antriebskomponenten wie Getriebe, Umrichter und Ventile lassen sich damit unter den Übertragern zusammenfassen. Eine der eingeführten Anpassungen zu den bekannten Blockdarstellungen stellt das Symbol für die Last dar. Neben einer Unterscheidung zwischen rotatorischen und translatorischen Lasten, wurde das Symbol der Zweipoldarstellung genutzt (vgl. [12]). Zur technologieübergreifenden Beschreibung der Systemgrößen werden die Begriffe der Durchgröße (bspw. Drehmoment) und Quergröße (bspw. Drehzahl) der Quer-Durch-Darstellung nach [12] genutzt. Da die Variation der aufgeführten Komponenten- und Systemparameter eine automatisierte Modellbildung erfordert, wurde eine Backward-Simulation umgesetzt. Hierbei läuft die Berechnung von der Lastseite zum generatorischen Systemanteil eines Antriebssystems. Für die aus Messdaten bekannte Last können damit die erforderlichen Eingangsgrößen jedes Elements unter Variation des Antriebssystems berechnet werden. Die Wahl dieser Simulationstechnik impliziert eine perfekte Regelung, womit ein direkter Einsatz der erstellten Antriebsmodelle möglich ist und eine automatisierte Erstellung von Regelungsstrategien für die Antriebssysteme entfällt. Zur Ermittlung optimaler Antriebe existieren insbesondere in Systemen mit hydraulischer Abtriebsseite sehr große Lösungsräume, was sich anhand eines vereinfachten Beispiels aus Entwicklungsschritt vier verdeutlichen lässt. Ein Load-Sensing Abtriebssystem, das aus einer Parallelschaltung von vier Abtrieben besteht und jeder dieser Abtriebe durch zehn Motor-Getriebe-Kombinationen realisierbar ist, führt zu einem Lösungsraum von 10 4 Lösungen. Zur Suche nach einer wirkungsgradoptimalen Lösung werden daher häufig stark vereinfachende Annahmen getroffen, die erforderlich sind, um den Lösungsraum auf eine handhabbare Größe zu reduzieren. Durch die aufgebaute automatisierte Simulation entfallen diese Annahmen, womit eine objektive Antriebsstrangoptimierung auf Basis von Langzeitmessdaten erfolgen kann. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Der zunehmende Elektrifizierungsgrad auf mobilen Arbeitsmaschinen erhöht die Komplexität von Antriebssystemen. Insbesondere auf batterieelektrischen Maschinen bietet sich durch die Nutzung elektrischer, hydraulischer und mechanischer Antriebs- www.oup-fluidtechnik.de O+P Fluidtechnik 2020/06 41

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