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O+P Fluidtechnik 6/2020

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O+P Fluidtechnik 6/2020

ANTRIEBSTECHNIK

ANTRIEBSTECHNIK FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED AUTOMATISIERTE MULTIDOMAIN- SIMULATION ZUR COMPUTER‐ GESTÜTZTEN ANTRIEBSSTRANGSYNTHESE – TEIL 1 Hagen Neurath, Ludger Frerichs Im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen dominierten rein mechanische Antriebskomponenten lange die Weiterentwicklung der Antriebsstränge. Die vielfältigen Entwicklungen der mobilhydraulischen Antriebstechnik sowie die Durchbrüche auf dem Gebiet der Leistungselektronik sind seit Jahren die Gründe für eine weitreichende Verdrängung rein mechanischer Antriebselemente. 38 O+P Fluidtechnik 2020/06 www.oup-fluidtechnik.de

ANTRIEBSTECHNIK Anhand zahlreicher Entwicklungsprojekte lassen sich die Vorteile elektrischer Antriebe im Bereich der Leistungsanpassung und Regelungstechnik aufzeigen [1]. Parallel hierzu zeigen Entwicklungsprojekte [2; 3], dass auch für bestehende hydraulische Antriebskonzepte durchaus noch Entwicklungspotenziale vorhanden sind. Nicht zuletzt aus diesem Grund wird die Elektrik überwiegend als weitere mögliche Antriebstechnologie und nicht als Ersatz zu hydraulischen Antrieben gesehen [4]. Aus diesen Gründen ist davon auszugehen, dass zukünftig zunehmend Komponenten der elektrischen, hydraulischen und mechanischen Antriebstechnologie genutzt werden, um den bestmöglichen Antrieb darzustellen. Die sich hierdurch ergebende Komplexitätszunahme kann am Beispiel einer Traktor-Geräte-Kombination verdeutlicht werden. Unter Verwendung hydraulischer und mechanischer Antriebskomponenten lassen sich diese auf verschiedene Arten kombinieren, um eine Leistungsanpassung an einen final mechanischen Prozessantrieb darzustellen. Dies wird in vereinfachter Form in der Tabelle 01 dargestellt. Neben einer rein mechanischen Leistungsanpassung kann bei der Nutzung der hydraulischen Traktorschnittstellen zwischen zwei Systemkonzepten, die sich durch die Platzierung der Übertragungselemente (Ventile) unterscheiden, gewählt werden. Bei der Nutzung der Wegeventile des Traktors können die Ventile auf dem Anbaugerät entfallen. Darüber hinaus werden insbesondere für leistungsintensive Prozessantriebe hydraulische Systeme aufgebaut, die über die mechanische Traktorschnittstelle angetrieben werden. Die Berücksichtigung einer elektrischen Leistungsschnittstelle sowie elektrischer Antriebskomponenten führt zu einer Vervielfachung der möglichen Systemaufbauten (siehe Tabelle). Hierbei wurde vereinfachend davon ausgegangen, dass eine hydraulisch-elektrische Energiewandlung nicht zu beachten ist. Diese Vereinfachung ist aufgrund der zunehmenden Relevanz batterieelektrischer Fahrzeuge und diverser Vorteile hydraulischer Antriebe für elektrisch-hydraulische Wandlungen nicht zulässig. Für Antriebssysteme mit beispielsweise leistungsverzweigten Strukturen nimmt die Komplexitätszunahme wie in [5] dargestellt weiter zu. Für eine Vielzahl von mobilen Arbeitsmaschinen kommt erschwerend hinzu, dass diese in der Regel über eine verhältnismäßig hohe Anzahl an Prozessantrieben verfügen, womit der Auslegungsaufwand weiter steigt. Eine Verbesserung der Handhabbarkeit großer Lösungsräume in Entwicklungsprozessen kann durch den Einsatz von angepassten Entwicklungsmethoden erreicht werden. Hierbei ist insbesondere die VDI 2206 [6] zur Entwicklung mechatronischer Systeme zu nennen. Zum einen bezieht sich diese Entwicklungsmethode auf interdisziplinäre Entwicklungsaufgaben und nutzt die Simulation zur Sicherstellung einer erfolgreichen Entwicklung, zum anderen sind die Lösungsmöglichkeiten mechatronischer Systeme in der Regel vielfältig. Zur Anpassung dieser Richtlinie an produktspezifische Herausforderungen existieren zahlreiche Arbeiten im Bereich der mobilen Antriebstechnik. Die bekannten Adaptionen reichen von methodischen Anpassungen [7] bis zur Integration von weiteren Ansätzen zur modellbasierten Produktentwicklung [8]. Darüber hinaus findet sich auch eine Vielzahl von Arbeiten zur computergestützten Getriebesynthese [9–11], die hier vom Methodenansatz her zugeordnet werden können. Zur Kombination dieser Ansätze wird am Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge der Technischen Universität Braunschweig an einem Entwickler-Werkzeug gearbeitet. Dabei wird eine Lösungsraumeingrenzung auf Basis von Langzeitmessdaten sowie harten und weichen Entwicklungskriterien ermöglicht, ohne initiale Lösungsraumeinschränkungen hinsichtlich der Antriebstechnologien oder Antriebstopologien zu erfordern. Hierzu wurde ein Vorgehen von etablierten Ansätzen abgeleitet, welches dem Entwickler-Werkzeug zugrunde liegt und nachfolgend dargestellt wird. DAS VORGEHEN DER ENTWICKELTEN METHODE In den ersten zwei Entwicklungsschritten des in Bild 01 dargestellten Vorgehens erfolgt die Präzisierung des Zielsystems sowie die Analyse der aktuellen Antriebstechnologie. Hieraus lassen sich für das Entwicklungsvorhaben relevante Prozessantriebe identifizieren. Für jeden Antrieb ist in Entwicklungsschritt drei festzulegen, welche Antriebstechnologien und Antriebskomponenten zur Verfügung stehen, womit sich ein individueller Lösungsraum aufspannt. Sind die den Lösungsraum aufspannenden Komponenten definiert, können unter Berücksichtigung des späteren Maschineneinsatzes www.oup-fluidtechnik.de O+P Fluidtechnik 2020/06 39

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