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O+P Fluidtechnik 9/2019

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FORSCHUNGSFONDS

FORSCHUNGSFONDS FLUIDTECHNIK ELEKTROMECHANISCHE ANSTEUERUNGEN GROSSER SCHALTVENTILE IN VOLUMENSTROM- GEREGELTEN HYDRAULIKSYSTEMEN Tobias Vonderbank, M.Sc., Institut für fluidtechnische Antriebe und Systeme, ifas, der RWTH Aachen Förderung: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e. V. (AiF) aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), IGF-Nr. 20084 N/1 FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG ZIELSETZUNG Das Ziel des Projektes ist die Erforschung alternativer elektromechanischer Antriebskonzepte für die Betätigung von Schaltventilen großer Nenngröße. Dabei sollen die Möglichkeiten von gängigen Konzepten zur Ventilansteuerung, wie z.B. Spulen oder Tauchspulen, aber auch die Möglichkeiten unkonventioneller Technologien erforscht werden. Piezokristalle können zum Beispiel bei sehr kleinen Hüben extrem große Kräfte aufbringen. Diese unkonventionellen elektromechanischen Wandler sind äußert interessant, da sie im statischen Betrieb, ausgenommen eines vernachlässigbar kleinen Verlustes, keine Energie in Form von Strom und damit keine Leistung aufnehmen. Um die Möglichkeiten verschiedener elektromechanischer Wandler zu analysieren, sollen im Rahmen des Projektes Funktionsmuster entworfen, gefertigt und vermessen werden. Auf Basis eines Anforderungsprofils, welches durch eine Analyse marktüblicher Ventile zu ermitteln ist, sind geeignete elektromechanische Wandler für die Betätigung zu wählen. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Auf Basis von theoretischen Überlegungen wurden Anforderungen für die zu entwickelnde elektromechanische Ansteuerung definiert. Zuerst wurden die relevanten Betriebspunkte der Ventilbetätigung in einem volumenstromgeregelten System definiert. Dies sind „Schalten ohne Volumenstrom“ und „Aufrechterhalten der Schaltposition bei vollem Volumenstrom“. Danach wurden Anforderungen bezüglich des Hubes und der Kraft bestimmt. Dabei wurde sich an am Markt erhältlichen Ventilen der Nenngröße 25 orientiert. Es konnte sowohl mathematisch als auch durch vorhandene Messergebnisse nachgewiesen werden, dass die wirkenden Strömungskräfte vergleichsweise gering sind. Auf Basis der Federcharakteristik konnte eine Kraft bestimmt werden, welche notwendig ist um eine Performance zu erzielen, die mit der am Markt verfügbarer Ventile vergleichbar ist. Dieser Wert wird durch die Kräfte, die durch die hydraulische Vorsteuerung erzeugt werden, untermauert. Eine Ventilansteuerung sollte eine Kraft von ca. 700 N bei einem Hub von mindestens 10 mm aufbringen können. Diese Anforderungen werden nochmals durch Messungen abgesichert. Hierzu werden drei Ventile der Nenngröße 25 auf dem Ventilprüfstand des ifas in den entsprechenden Betriebspunkten vermessen. Dies war aufgrund des Brandschadens bisher noch nicht möglich. Für die elektromechanische Ansteuerung stehen viele unterschiedliche elektromechanische Wandler zur Verfügung. Diese unterscheiden sich durch den zugrundeliegenden physikalischen Effekt und die dadurch definierten Einsatzgebiete. Auf Basis der Funktionsstruktur und der Marktanalyse konnte eine Vielzahl prinzipieller Lösungen generiert werden, welche mit dem Verfahren der Präferenzmatrix, auf Basis der theoretischen Anforderungen, vergleichend bewertet wurden. Somit konnten zu präferierende Lösungen identifiziert werden. Im Rahmen einer Vorauslegung werden für die zu präferierenden Lösungen Größen, wie Leistungsbedarf, Bauraum und Kosten abgeschätzt. So wird vermieden, dass ein Konzept verfolgt wird, welches zwar möglich aber technisch nicht sinnvoll ist, aufgrund von z.B. sehr großem Raumbedarf. Nach der gelungenen Vorauslegung werden die bevorzugten Konzepte exakt ausgelegt und CAD-Modelle von diesen angefertigt. Nach der Erstellung von Fertigungszeichnungen können diese gefertigt werden. 03 Einsatzgebiete der unterschiedlichen Aktortechnologien 48 O+P Fluidtechnik 9/2019

FORSCHUNGSFONDS FLUIDTECHNIK REGELORGANE FÜR VERSTELLPUMPEN MIT SYSTEMATISCHER VERMEIDUNG KONTINUIERLICHER BYPASS-VERLUSTE Florian Schoemacker, M.Sc., Institut für fluidtechnische Antriebe und Systeme, ifas, der RWTH Aachen Förderung: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e. V. (AiF) aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), IGF-Nr. 19789 N/1 ZIELSETZUNG Das Ziel des Projekts ist die Erforschung eines energieeffizienten Reglers für verstellbare Kolbenpumpen, der nur noch Leistung zum Verstellen der Pumpe benötigt und keine kontinuierlichen Bypass-Verluste aufweist. Hierzu ist es notwendig, einen Demonstrator zu entwickeln und dessen Funktion nachzuweisen. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Kontinuierliche Verluste in Pumpenreglern zur Dämpfung der Regelung sind durch geschickte Rückführungen vermeidbar. Das Projekt hat gezeigt, dass der Gesamtwirkungsgrad von verstellbaren Axialkolbenmaschinen in allen Arbeitspunkten durch den Verzicht auf die Bypass-Blende verbessert werden kann. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erforschung und beispielhafte Entwicklung eines hydraulisch-mechanischen Druckreglers mit dämpfender Rückführung ohne Dynamikverlust. Zur Entwicklung von Rückführungen innerhalb des Systems der Druckregelung wurde ein Simulationsmodell aufgebaut und parametriert. Der Vergleich der Konzepte von Stellweg- und Stellgeschwindigkeitsrückführung zeigt die grundlegende Funktionsfähigkeit der Rückführung zur Dämpfung des Systems. Parallel wurden Schaltungen entwickelt, die die Funktion der Konzepte mit realen Bauteilen abbilden. Hier zeigte sich, dass die Stellwegrückführung schaltungsbedingt prinzipiell besser geeignet ist. Für die weiteren Entwicklungen und Untersuchungen wird daher die mechanische und hydraulische Stellwegrückführung ausgewählt. Die beiden Regler werden für eine Serienpumpe gestaltet und gefertigt. Anschließend erfolgt eine Erprobung im gesamten Betriebsbereich der Pumpe zum experimentellen Nachweis. Somit soll auf die Bypass-Blende verzichtet und ein „verlustfreier“ Druckregler ohne kontinuierliche Verluste demonstriert werden. 04 05 Konzept einer hydraulischen Stellwegrückführung Konzept einer mechanischen Stellgeschwindigkeitsrückführung O+P Fluidtechnik 9/2019 49

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