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O+P Fluidtechnik 7-8/2017

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VDMA

VDMA SIMULATIONSGESTÜTZTE THERMISCHE ANALYSE DER SPALTSTRÖMUNGEN IN EINER AXIALKOLBENPUMPE ZUR VERBESSERUNG IHRES SCHMIER- UND LECKAGEVERHALTENS M. Sc. Ahmed El Shorbagy, Institut für Fluidtechnik (IFD) der TU Dresden Förderung: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V. (AiF) aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi); Nr. 18975 BR/1 FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Zielsetzung: Für eine hohe Energieeffizienz moderner Hydrauliksysteme müssen insbesondere die Teillastwirkungsgrade der eingesetzten Verdrängereinheiten verbessert werden. Der tribologische Kontakt Zylindertrommel-Steuerspiegel verursacht die größten Anteile an Leckagen und Drehmomentverlusten durch Reibung in Axialkolbenpumpen. Die optimale Auslegung dieses Tribokontaktes ist deshalb der Schlüssel zur Steigerung der Teillasteffizienz. Dabei müssen neben der hydrostatischen und hydrodynamischen Abstützung druck- und temperaturabhängige Bauteilverformungen und Fluidstoffdaten berücksichtigt werden. Zusammenfassung und Ausblick: Ziel des Forschungsprojektes ist die experimentelle und numerische Untersuchung des Spalts zwischen Zylindertrommel und Steuerspiegel. Da derzeit der Industrie dazu kein geeignetes Spalt- Berechnungswerkzeug zur Verfügung steht, soll im Projekt ein auf Ergebnis des entwickelten Mehrfeldkopplungsmodells 03 Ergebnis des entwickelten Mehrfeldkopplungsmodells Z Heat: Temperature [C] 80 40 Z 2-Wege-Fluid-Struktur-Interaktion basierender Simulationsansatz entwickelt werden, der in der Lage ist, die im Spalt auftretenden thermischen sowie strömungstechnischen Vorgänge zu beschreiben. Die Anhebung der Teillasteffizienz von Verdrängereinheiten durch verringerte Reib- und Leckageverluste in den tribologischen Kontaktpaarungen stellt einen interessanten Forschungsgegenstand zur Erfüllung der Anforderungen moderner Hydrauliksystemarchitekturen dar. Dabei ist der optimale Einsatz von Verdrängersteuerungen systemseitig und die Minimierung von Reibung und Leckagen pumpenseitig der Schlüssel zur Effizienzsteigerung, insbesondere für Teillastbetriebspunkte. Hierfür werden bisher iterative Konstruktionsanpassungen auf der Basis zeitaufwendiger und kostenintensiver Versuchsreihen mit Prototypen durchgeführt. Im Forschungsprojekt wird ein Mehrfeldkopplungsmodell (Bild 3) auf der Basis kommerzieller Software zur Spaltberechnung entwickelt, welches es gestattet, die Konstruktionsanpassungen virtuell zu testen sowie die Erweiterung der Betriebsbereiche von Axialkolbenpumpen zu prüfen. Das virtuelle Prototyping kann aufwendige Versuchsreihen ersetzen und somit signifikant zur Zeit- und Kostenersparnis Stress: Displacement Z [um] beitragen. 33.9201 Der im Rahmen des Vorhabens untersuchte Einsatz ermöglicht durch eine umfangreiche Messdatenbasis ein vertieftes Verständnis der thermischen Wechselwirkungen im Spalt zwischen Zylindertrommel und Steuerspiegel. Dabei werden die Messungen für die Modellvalidierung und -23.8186 gegebenenfalls zur Nachkalibrierung von Rand- und Anfangsbedingungen des Modells genutzt. Künftig soll im Ergebnis des Vorhabens ein Katalog konstruktiver und betriebsstrategischer Gegenmaßnahmen zur Anwendung auch auf andere Pumpen als die im Projekt untersuchten entwickelt werden. 48 O+P Fluidtechnik 7-8/2017

VDMA ELEKTROHYDRAULISCHE KOMPAKT- ANTRIEBE MIT SCHALTBARER ÜBER- SETZUNG Dipl.-Ing. Giacomo Kolks, Institut für Fluidtechnik (IFD) der TU Dresden Förderung: Forschungsfonds Fluidtechnik im VDMA; FKM-Nr. 703490 Zielsetzung: Ziel des Forschungsvorhabens ist die systematische Erarbeitung von Strukturen zur Umsetzung einer schaltbaren Übersetzung in elektrohydraulischen Kompaktantrieben mit hermetisch abgeschlossenem Ölkreislauf. Zur Wahrung der Kompaktheit der Antriebe wird eine einseitig ausfahrende Kolbenstange als Randbedingung festgelegt. Eine strukturelle Herausforderung besteht in der Kompensation des Pendelvolumens, welches durch die einseitige Kolbenstange entsteht, und der Kombination mit Prinzipien zur Umschaltung der Übersetzung. Zusammenfassung und Ausblick: Um dem Anwender die Vorteile durch Einsatz umschaltbarer Übersetzung in seiner spezifischen Applikation aufzuzeigen, ist zunächst eine Methodik zur Abschätzung des Downsizing-Potenzials zu erarbeiten. Diese Methodik lässt Rückschlüsse auf die optimal umzusetzenden Übersetzungsverhältnisse zu. Systemtechnisch stellt eine diskrete Umschaltung der Getriebeübersetzung eine Unstetigkeit dar. Es besteht die Herausforderung, die Umschaltung derart zu gestalten, dass keine Anregung der Maschine erfolgt. Insbesondere bei Prozessen, bei denen die Umschaltung während der Bewegung erfolgt, darf der Umschaltvorgang nicht störend auf den Prozess einwirken. Eine geeignete Ventilstruktur zur Umsteuerung sowie eine Ansteuerungsstrategie für den geregelten Antriebsmotor und die Umsteuerventile sind zu entwickeln. Für definierte Antriebsaufgaben sind die Potentiale gegenüber elektromechanischen und herkömmlichen elektrohydraulischen Achsen unter den Aspekten Baugröße, Massen, Energieeffizienz und Regelgüte klar herauszustellen. Das laufende Forschungsvorhaben zielt darauf ab, elektrohydraulische Kompaktantriebe (Bild 4) mit einer umschaltbaren Übersetzung auszustatten, die gegenüber elektromechanischen Antrieben ein Downsizing des elektrischen Antriebs erlauben soll. Dazu wurde eine Systematik entwickelt, die es zunächst erlaubt, die prinzipiellen Vorteile in Bezug auf das Downsizing der elektrischen Antriebskomponenten abzuschätzen. Lösungsräume zur diskreten Umschaltung des Übersetzungsverhältnisses wurden systematisch aufgespannt und relevante Konzepte für Systeme mit abgeschlossenem Ölkreislauf synthetisiert. Im weiteren Projektverlauf werden Vorzugsvarianten für die Untersuchung im Versuch definiert und entsprechende Demonstratoren entwickelt. Diese werden auf ihre dynamischen Eigenschaften und ihr Umschaltverhalten untersucht, um sie für verschiedene Anwendungen zu qualifizieren. 04 Beispiele für Systemlösungen umschaltbarer elektrohydraulischer Kompaktantriebe Generatorisch diskrete Umschaltung Aktorisch diskrete Umschaltung M 3~ A 1 A 2 A 3 A 4 04 O+P Fluidtechnik 7-8/2017 49

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