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O+P Fluidtechnik 9/2019

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FORSCHUNGSFONDS

FORSCHUNGSFONDS FLUIDTECHNIK ELEKTROHYDRAULISCHE KOMPAKT- ANTRIEBE MIT SCHALTBARER ÜBERSETZUNG Dipl.-Ing. G. Kolks, Institut für Mechatronischen Maschinenbau der TU Dresden, Professur für Fluid-Mechatronische Systemtechnik Förderung: Forschungsfonds Fluidtechnik im VDMA, FKM-Nr. 703490 FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG ZIELSETZUNG: Ziel des abgeschlossenen Forschungsvorhabens ist die systematische Erarbeitung von Strukturen zur Umsetzung einer schaltbaren Übersetzung in elektrohydraulischen Kompaktantrieben mit hermetisch abgeschlossenem Ölkreislauf. Eine strukturelle Herausforderung besteht in der Kompensation des Pendelvolumens, welches durch die einseitige Kolbenstange entsteht, und der Kombination mit Prinzipien zur Umschaltung der Übersetzung. Um dem Anwender die Vorteile durch Einsatz umschaltbarer Übersetzung in seiner spezifischen Applikation aufzuzeigen, ist zunächst eine Methodik zur Abschätzung des Downsizing-Potentials 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. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Das abgeschlossene Forschungsvorhaben zielt darauf ab, elektrohydraulische Kompaktantriebe mit einer umschaltbaren Übersetzung auszustatten, die gegenüber elektromechanischen Antrieben ein Downsizing des elektrischen Antriebs erlaubt. Es wurde nachgewiesen, dass für Zyklen mit klar definierten Eil- und Kraftphasen erhebliche Einsparungen bezüglich Gewicht und Kosten des elektrischen Antriebs erzielt werden können. Diese lassen sich mittels der entwickelten Methodik quantitativ abschätzen. Die große Lösungsvielfalt elektrohydrostatischer Kompaktantriebe mit schaltbarer Übersetzung wurde in einer systematischen Herangehensweise erfasst und es wurden Methoden zur Generierung geeigneter Strukturen angewendet. Praxisnahe Systeme wurden diskutiert und bewertet. Aus dem erfassten Lösungsraum wurden geeignete Strukturen zur näheren Untersuchung anhand von Demonstratoren identifiziert. Entsprechende Demonstratorachsen wurden konstruiert, gefertigt und am Lastprüfstand in Betrieb genommen. Zuvor entwickelte Strategien zur störungsarmen Umschaltung zwischen den Übersetzungsstufen wurden in die Gesamtsteuerung integriert und am Demonstrator qualifiziert. Mittels der Demonstratoren konnte eine erhebliche Momentenreduktion durch Übersetzungsumschaltung nachgewiesen werden. Obwohl ungünstige Reibungsverhältnisse durch die gewählte Dimensionierung die tatsächlich erzielbaren Einsparungen schmälern, konnten für exemplarische Baureihen Kostenersparnisse von ca. 30 % bzw. 45 % an Motor und Umrichter nachgewiesen werden. Mittels der gewonnenen Erkenntnisse können für eine bestimmte Aufgabenstellung geeignete Systemstrukturen gewählt und geeignete Komponenten spezifiziert werden. Darüber hinaus kann die Entwicklung spezifischer Umschaltventile auf Grundlage der Ergebnisse angestoßen werden. 01 Momentenverlauf mit und ohne Umschaltung über den Zyklus einer Gesenkbiegepresse 46 O+P Fluidtechnik 9/2019

FORSCHUNGSFONDS FLUIDTECHNIK NACHWEIS DER FUNKTIONSFÄHIGKEIT EINES FLACHSCHIEBERVENTILS MIT KERAMIKKOMPONENTEN FÜR DIE HYDRAULIK Felix Fischer, M.Sc. (für Stefan Aengenheister, M.Sc.), Institut für fluidtechnische Antriebe und Systeme, ifas, der RWTH Aachen und Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau, IWM, der RWTH Aachen Förderung: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e. V. (AiF) aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), IGF-Nr. 19576 N/1 ZIELSETZUNG Das Ziel des Projekts ist der Aufbau eines Funktionsmusters eines Flachschieberventils, bestehend aus Keramikkomponenten in der Ventilstufe (Schieber und Steuer- / Kompensationsplatten) und handelsüblichen Ventilkomponenten zur Betätigung (Aktoren, Positionssensoren und Regelelektronik) sowie der Peripherie (Gehäuse und Deckel). Mit diesem Funktionsmuster sollen zum einen relevante, statische und dynamische Kenngrößen der Hydraulik ermittelt werden, mit denen die Funktionsfähigkeit des Flachschieberventils nachgewiesen werden kann. Zum anderen soll der Versuchsaufbau genutzt werden, um die Eignung und die Zuverlässigkeit der keramischen Werkstoffe in Hydraulikmedien zu erproben. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Ziel des Projektes „Nachweis der Funktionsfähigkeit eines Flachschieberventils mit Keramikkomponenten für die Hydraulik“ ist der Aufbau eines Funktionsmusters eines Flachschieberventils, welches in der Ventilstufe (Schieber und Steuer-/Kompensationsplatten), aus Keramikkomponenten besteht. Dabei soll die Funktionsfähigkeit des Flachschieberventils nachgewiesen werden und die Eignung und Zuverlässigkeit von keramischen Werkstoffen in hydraulischen Anlagen erprobt werden. Am ifas wird die hydraulische Stufe konstruiert und ausgelegt, während das IWM die Werkstoffauswahl, Charakterisierung und Auslegung der Keramikkomponenten durchführt. Zunächst wurden die Anforderungen an das Ventil von beiden Forschungsstellen klar definiert. Zur Auslegung der hydraulischen Stufe wurde ein Modell der Bauteile in Matlab implementiert, mit welchem es möglich ist, unterschiedliche Ventilgeometrien zu untersuchen. Eine Validierung des Programmes wurde mit Hilfe eines vorhandenen Demonstrators durchgeführt. Im weiteren Projektfortschritt wurde ein Versuchsaufbau der Flachschiebergeometrie mit einer Ventilstufe aus Stahl am ifas aufgebaut. Die Erprobung und Abstimmung der Druckkompensation dieses Demonstrators steht unmittelbar bevor. Das IWM wird Design-Richtlinien für die keramikgerechte Konstruktion und Fertigung der Keramikkomponenten aufstellen und ermittelt mithilfe bruchstatistischer Methoden die Zuverlässigkeit der Komponenten. Basierend aus den gewonnenen Erkenntnissen aus den Vorversuchen, mit dem Flachschieberventil in Stahlbauweise und der Komponentenanalyse, wird eine funktionsfähige Ventilstufe aus Keramikkomponenten (Schieber, Steuerplatten und Kompensationsplatten) aufgebaut. Abgeschlossen wird das Projekt mit der Konstruktion der weiteren Ventilkomponenten und dem Aufbau und der Vermessung des Gesamtventils mit Keramikkomponenten in der Ventilstufe am ifas. 02 Demonstrator des Flachschieberventils O+P Fluidtechnik 9/2019 47

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