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O+P Fluidtechnik 7-8/2016

O+P Fluidtechnik 7-8/2016

VDMA Dipl.-Wirt. Ing.

VDMA Dipl.-Wirt. Ing. Jan Lux FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Thema: Untersuchung von Verstellsystemen hydraulischer Pumpen und Motoren und deren Optimierung Vortragender: Dipl.-Wirt. Ing. Jan Lux Förderung: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V. (AiF) aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi); Nr. 18017 N/1 Forschungsstelle: Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) der RWTH Aachen Zielsetzung: In hydraulischen Anlagen werden zur Steuerung der hydraulischen Leistung zwei Prinzipien angewandt: die Widerstands- und die Verdrängersteuerung. Bei der Widerstandssteuerung werden veränderliche hydraulische Widerstände (Ventile) eingesetzt. Bei 05 Stellkonzept drehzahlvariabler Antrieb (links) und Simulationsergebnisse (rechts) der Verdrängersteuerung wird die hydraulische Leistung durch die Verstellung der Hydraulikpumpe oder des Hydraulikmotors gesteuert. Die Verluste in den Stellsystemen wurden bisher nicht systematisch quantifiziert. Dies soll in diesem Projekt geschehen und basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen neue Lösungsansätze zur Effizienzsteigerung solcher Systeme ausgearbeitet werden. Zusammenfassung und Ausblick: Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde das Verlustverhalten von Reglersystemen variabler Pumpen und Motoren untersucht. Nach einer Recherche zum Stand der Technik wurden bestehende Systeme näher betrachtet, wobei die Grundregelstrukturen Druckregelung und Schwenkwiegenregelung im Fokus standen. Die Messungen brachten hervor, dass bis zu 2 kW Leistung bei statischem Betrieb, d. h. ohne zu verschwenken, von den untersuchten Stellsystemen aufgenommen wird. Der kontinuierliche Leistungsfluss ist auf die Reglerleckage zurückzuführen. Dieser Leckagefluss ist für die Dämpfung des Systems erforderlich und erhöht die Dynamik sowie die Stabilität des Reglers. Bei der Förderstromregelung kann ein Teil der Dämpfung über den elektronischen Regler implementiert werden. Somit konnten die Verluste hier bereits um 60 % reduziert werden. Das Reglerverlustverhalten wurde in einer Systemsimulation in DSHplus abgebildet und mit den Messeregebnissen validiert. Im letzten Arbeitspaket wurden alternative Stellkonzepte betrachtet. Drei Konzepte wurden im Rahmen des Projektes näher betrachtet. Der Elektrozylinder stellt eine elektrisch-mechanische Lösung dar. Kritisches Element ist die Kugelrollspindel, da der Kurzhubbetrieb die Lebensdauer stark reduziert. Als zweites Konzept wurde das elektro-hydraulische Konzept „drehzahlvariable Versorgung“ umgesetzt (Bild 05). Hier zeigt sich die höchste Energieeinsparung. Die Regelbarkeit konnte nachgewiesen werden. Eine gezielte Auslegung und Gestaltung des Gesamtsystems kann die Stellzeit im Vergleich zu den durchgeführten Messungen weiter verringern. Das Konzept der Druckreduktion ist eine einfach umsetzbare Maßnahme zur Reduktion der Leistungsaufnahme um etwa 50 % bei gleichbleibender Dynamik. 66 O+PFluidtechnik 7-8/2016

VDMA Dipl.-Ing. Jan Hepke Thema: Entwicklung pneumatischer Schaltventile auf Basis von 3D-Siebdrucktechnologie (3D-Siebdruck) Vortragender: Dipl.-Ing. Jan Hepke Förderung: Forschungsfonds Fluidtechnik im VDMA; FKM-Nummer 703321/703322 Forschungsstelle: Institut für Fluidtechnik (IFD) der TU Dresden, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM Zielsetzung: Ziel des Vorhabens ist es, die Möglichkeiten und Potenziale pneumatischer Schaltventile auf der Basis von dreidimensionalen Siebdrucktechnologien zu untersuchen und aufzuzeigen, um eine neue Qualität in Funktionalität und Herstellung erreichen zu können. Die Teilziele lassen sich in zwei miteinander korrespondierende Bereiche strukturieren, die von den Forschungsstellen IFD und Fraunhofer IFAM Dresden gemeinsam und parallel erreicht werden sollen. Als Resultat des Forschungsprojekts wird eine Konstruktionsvariante druckbarer Schaltventile und weiterführendes Prozesswissen zum 3D-Siebdruck von ventiltypischen Materialkombinationen vorliegen. Es wird ein Ventildemonstrator unter Laborbedingungen hergestellt und analysiert. 06 Versuchsstand zur Vermessung der Federanker und exemplarisch aufgenommene Federkraft-Hub-Kennlinie Zusammenfassung und Ausblick: Die fortschreitende Miniaturisierung pneumatischer Schaltventile führt zu Bauteilen mit immer kleineren Abmessungen und Toleranzen. Das IFD übernimmt den 3D-siebdruckgerechten Entwurf des pneumatischen Schaltventils unter Nutzung von Simulationswerkzeugen und die Validierung der Baugruppen. Das Fraunhofer IFAM Dresden entwickelt und wählt geeignete Materialsysteme aus, untersucht gedruckte Komponenten metallurgisch, ermittelt Materialgrößen sowie Bauteilabmessungen und charakterisiert die Oberflächenstruktur. Als gemeinsames Ergebnis des Forschungsvorhabens wird für eine besonders vielversprechende Konstruktionsvariante ein Funktionsmuster entworfen, aufgebaut und experimentell analysiert. Im ersten Arbeitspaket wurden die wichtigsten Randbedingungen für das zu druckende Schaltventil definiert. Dies betrifft im Wesentlichen die fluidtechnischen, elektrischen und geometriebezogenen Eigenschaften des Ventils. Für das Arbeitspaket 2 wurden zwei Gesamtkonzepte für das zu druckende Schaltventil erarbeitet. Für die einzelnen Baugruppen des Ventils wurden geeignete Materialien ausgewählt und metallurgisch untersucht. Im Entwicklungsprozess wurden systematisch Lösungsvarianten für jede dieser Baugruppen erarbeitet und Vorzugslösungen identifiziert. Der Elektromagnet ist als Stapelaktuator ausgeführt, bestehend aus mehreren Spulenlagen. Zur Gestaltung des Federankers werden Formfedern genutzt. Bei der Fluidstufe wird eine Realisierung sowohl als hart- als auch weichdichtender Ventilsitz angestrebt. Im Arbeitspaket 3 wurden die einzelnen Baugruppen im Detail ausgelegt und simulationstechnisch untersucht. Beispielsweise wurden Magnetkraft-Hub-Kennlinien bei verschiedenen Varianten des zu druckenden Elektromagneten analysiert und dadurch Geometrien optimiert. Die ermittelten Vorzugsvarianten wurden in Teilen oder komplett gedruckt, wärmebehandelt und metallurgisch untersucht. Im Bereich der experimentellen Untersuchungen in Arbeitspaket 4 wurden für die gedruckten Federanker Federkraft-Hub-Kennlinien aufgenommen (Bild 06). Der Fokus der weiteren Arbeiten liegt auf der Herstellung und messtechnischen Untersuchung des Elektromagneten und der Fluidstufe. O+PFluidtechnik 7-8/2016 67

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