O+P Fluidtechnik 4/2016

ANTRIEBE Das

ANTRIEBE Das Hybrid-Control ist eine mögliche Hardwarelösung, die beide Typen der Pumpenverstellsysteme in sich vereint, also eine DC- und NF-Funktionalität aufweist. Bild 08 zeigt einen Schaltplan des Hybrid-Controls mit angeschlossener Pumpe (Prinzipbild). Die Aktivierung bzw. Deaktivierung des jeweilig anderen Modes erfolgt über den Magneten der passiven Seite, sodass DC- und NF-Fahrverhalten auf Kommando in einer Maschine durch ein und demselben Control ohne Softwareregelung dargestellt werden können – eine ideale Voraussetzung für oben genannte Maschinen. Die Funktion des Controls ist in Bild 09 mittels Simulationsergebnissen dargestellt. Die Pumpe läuft auf konstanten 1 800 min -1 und wird mit einer doppelten Druckrampe beaufschlagt (im Bild 09 oben links). Während der ersten Rampe, bis 20 s, wird die Pumpe im DC-Modus betrieben, da beide Magneten bestromt sind (im Bild 09 oben rechts). Der Magnet der passiven Seite, hier C2, ist mit einem kleinen Strom beaufschlagt, um die Hubvolumenregelung zu aktivieren. Danach, ab 20 s, fällt der Strom ab und die Pumpe durchläuft die Druckrampe im NF-Modus. Konstruktionsbedingt ist der Strom im NF-Modus etwas höher, sodass der Strom für C1 etwas ansteigt. Die Resultate hierzu sind in der unteren Reihe der Diagramme gezeigt. Im DC-Modus bleibt die Pumpe absolut auf Winkel, das Hybrid-Control passt den Servodruck entsprechend an, um die Hochdruckreaktionen auszukorrigieren. Im NF-Modus verlässt die Pumpe ihren Schwenkwinkel mit steigendem Hochdruck und stellt dabei das typische NF-Verhalten her, wie es auch für automotives Fahren gebraucht wird. Dieses Control bietet also damit neue Möglichkeiten für eine Antriebstrangsteuerung, bei interessanten Vorteilen: einfache Darstellung verschiedener Antriebstrangmodi, keine weiteren Bauteile, nur dieses eine Pumpenverstellsystem, kein zusätzlicher Software- Schwenkwinkelregler und daher auch schnellere Reaktionszeiten im DC-Modus. Dies führt zu einer einfachen Adaption des Systems in Fahrzeugen, sowohl für Prototypen als auch für die Serie und einer überzeugenden Variabilität des Antriebstrangs für Fahrzeughersteller. VARIABLES FÜLLSYSTEM Das Füllsystem eines hydrostatischen Kreises ist oftmals als Notwendigkeit angesehen, die nur eine kleine Portion Leistung benötigt und daher bei Optimierungen keine wirkliche Aufmerksamkeit erfährt. Möchte man aber einen ganzheitlich optimierten Antriebstrang, so gehören auch diese eher unscheinbaren Hilfssysteme dazu. Heutige Füllsysteme verfügen in der Regel über eine konstante Füllpumpe, welche von der Volumenstromleistung auf ungünstige Betriebspunkte designt ist und somit notwendigerweise oftmals den Bedarf übererfüllt – also unnötig Leistung verbraucht. Sinnvoller wäre, nur genau so viel Füllvolumenstrom zu Verfügung zu stellen, wie vom System benötigt wird. FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 09 Simulation einer Pumpe mit Hybrid-Control, im DC- und NF-Modus 10 Einzelteile der variablen Füllpumpe 80 O+P – Ölhydraulik und Pneumatik 4/2016

ANTRIEBE Eine Lösung ist die Verwendung einer variablen Füllpumpe, welche innovativ integriert im Gehäuse der Hauptpumpe sitzt. Dies wurde mittels einer sogenannten Roller-Vane-Füllpumpe realisiert, also sozusagen eine Flügelzellenpumpe, bei der die „Flügel“ aus Rollen bestehen [5]. Diese Pumpe besteht aus den in Bild 10 gezeigten Einzelteilen. Das Funktionsprinzip ist unten rechts im Bild 10 dargestellt: Der Rotor wird von der Hauptwelle angetrieben. Im Rotor sitzen die Rollen, die fliehkraftbedingt nach außen drängen, auf dem Cam- Ring abrollen und die Druckräume abdichten. Aufgrund einer Exzentrizität zwischen Rotor und Cam-Ring werden in der unteren Hälfte der Bewegung die Druckräume zwischen Rotor und Cam- Ring größer – das ist die Saugphase der Pumpe. In der oberen Hälfte der Bewegung werden die Druckräume kleiner – das ist die Arbeitsphase, das ausgeförderte Öl wird dem Füllsystem zugeführt. Da der Cam-Ring um den Lagerpunkt oben am Cam-Ring drehbar ist, kann die Exzentrizität verändert und damit das Hubvolumen der Pumpe eingestellt werden. Zur Kontrolle des Hubvolumens kann, wie in Bild 10 dargestellt, eine Feder verwendet werden. Basierend auf der Größe der Druckreaktionskräfte, die auf den Cam-Ring wirken, wird die Federkraft überdrückt und das Hubvolumen verkleinert oder die Feder ist stärker und das Volumen wird vergrößert. Man erhält damit eine einfache druckgeregelte Füllpumpe. Weitere Regelprinzipien, wie schwenkwinkelgeregelt, sind natürlich auch denkbar. In [6] wurden weitgehende Analysen durchgeführt, um das Leistungseinsparpotenzial einer variablen Füllpumpe zu bewerten. Ein Ergebnis ist, dass das maximale Potenzial nur gehoben werden kann, wenn die Pumpe mit einem variablen Spülventil kombiniert wird, da der Spülvolumenstrom einen signifikanten Einfluss auf den Füllstrombedarf hat. Mit einem variablen Spülventil kann dann bedarfsorientiert gespült werden und so der Volumenstrombedarf entsprechend reduziert werden. Ein solches System ist schematisch in Bild 11 dargestellt. schwindigkeiten bei reduzierten Betriebskosten (TCO). Um die Anforderungen aus diesem Trend erfüllen zu können, wurden hier innovative Produkte und Lösungen vorgestellt, wie die H1 Pumpen und Motoren, die durch wirkungsgradförderndes Design überzeugen. Es wurden aber auch verschiedene Subsysteme diskutiert, wie die Bremssysteme, die ebenfalls an diesen Trend angepasst werden müssen; allen voran das bestehende ISL-System, welches durch eine sehr einfache Installation und sichere Anwendung besticht und auch schwere Maschinen sicher und ohne Gefährdung des Dieselmotors abbremst. Dessen Weiterentwicklung, das proportionale ISL, liefert zudem noch eine erhöhte Flexibilität der Anpassung an verschiedene Dieselbetriebszustände, die eine maximale Rekuperation der Bremsenergie ermöglicht und die verfügbare Bremsleistung des Dieselmotors optimal ausnutzt. Alles zusammengenommen resultiert dies in ein überlegenes Bremsverhalten bei reduziertem Hitzeeintrag ins Öl und dadurch optimaler Komponentenlebensdauer. Eine weitere, innovative Lösung, die hier vorgestellt wurde, ist das Hybrid-Control, welches zwei verschiedene Maschinenfahrverhalten in einem Pumpenverstellsystem vereint, ohne softwarebasierte Regelalgorithmen. Damit wird dem Maschinenhersteller die Möglichkeit gegeben, das gewünschte Fahrverhalten, gleichbleibende Geschwindigkeit oder automotiv, sehr einfach umzusetzen, sodass der Antriebstrang eine optimale Adaption an die Betriebsbedingungen für maximale Maschinenperformance bieten kann. Schlussendlich, mit dem diskutierten Leistungseinsparpotenzial eines variable Füllsystems wurde gezeigt, dass auch kleinere Subsysteme wie das Füllsystem Potenzial bieten und für eine ganzheitliche Betrachtung nicht fehlen dürfen. Denn High-Performance-Antriebstränge müssen eine ganzheitlich durchdachte Lösung darstellen, um basierend auf innovativen und zuverlässigen Produkten das volle Potenzial hydrostatischer Antriebstränge freizusetzen und mobile Arbeitsmaschinen bereit für die Zukunft zu machen. ANMERKUNG DER REDAKTION Der vorstehende Fachbeitrag basiert auf einem Vortrag, der während des 10. IFK in Dresden (www.ifk2016.com) gehalten wurde. Bilder: Danfoss Power Solutions, 24539 Neumünster www.powersolutions.danfoss.com Autoren: Dr.-Ing. Andreas Schumacher, Dr.-Ing. Robert Rahmfeld, Dipl.-Ing. (FH) Heiko Laffrenzen, Danfoss Power Solutions, Krokamp 35, 24539 Neumünster, Germany 11 Vereinfachter Schaltplan eines variablen Füllsystems Eine Kombination der neuentwickelten variablen Füllpumpe mit dem bereits existierenden elektrischen Spülventil führt zu einem solchen flexiblen System mit maximaler Leistungseinsparung. Nimmt man den Mähdrescher aus den obigen Bremsbeispielen als Grundlage, so ergeben erste Simulationen eine Einsparung von 2-3 kW, je nach Einsatzbedingungen. Dies zeigt, dass der Leistungsbedarf des Füllsystems fast halbiert werden kann, wenn man gegen das typische konstante Füllpumpensystem vergleicht. ZUSAMMENFASSUNG Der diesem Artikel zugrundeliegende Trend mobiler Arbeitsmaschinen zeigt in Richtung steigende Massen und Fahrge- Literaturhinweise: [1] Schumacher, A.; Rahmfeld, R. and Skirde, E. 2010. Simulation als essentielles Werkzeug zur Betriebskostenoptimierung mobile Maschinen. 68 th international conference Land Technik, Braunschweig, Germany [2] Rahmfeld, R. and Skirde, E. 2010. Efficiency Measurement and Modeling – Essential for Optimizing Hydrostatic Systems. 7 th IFK, Aachen, Germany. [3] Schumacher, A.; Rahmfeld, R. and Skirde, E. 2011. Best Point Control – Energetic saving potential of a Drivetrain Management Control System. 1 st VDI Conference Transmissions in Mobile Machines, Friedrichshafen, Germany [4] Rahmfeld, R. and Klocke, C. 2011. Efficiency Impact on Operating Costs of Mobile Machines. IFPE 2011, 52 nd National Conference on Fluid Power, Las Vegas, USA. [5] Zavadinka, P. 2012. Simulation based optimization methodology of port plates for roller pumps. 7 th FPNI PhD Symposium on Fluid Power, Reggio Emilia, Italy. [6] Zavadinka, P. 2015. Development of a Variable Roller Pump and Evaluation of its Power Saving Potential as a Charge Pump in Hydrostatic Drivetrains. Brno University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering. O+P – Ölhydraulik und Pneumatik 4/2016 81