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O+P Fluidtechnik 7-8/2020

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O+P Fluidtechnik 7-8/2020

ANTRIEBSTECHNIK

ANTRIEBSTECHNIK FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED 04 Volumenstrom (Q P ) Druck (∆p P ) Vergleich zwischen gemessenen und berechneten Ausgangsgrößen der Pumpe 75 L/min 45 30 15 0 200 bar 120 80 40 0 Für die in Bild 02 dargestellte Topologie reduziert sich durch diese Filterung der Lösungsraum auf 17 608 gültige Konfigurationen. Dieser Lösungsraum wird dem Algorithmus übergeben, um mitdiese zwei Wandlertypen limitiert werden. Der Einsatz von BLDC- Motoren erschien ebenfalls möglich, weshalb auch dieser Wandlertyp weiter berücksichtigt werden sollte. BILDUNG VON ABTRIEBSSYSTEMEN (SCHRITT 4) 16:10 16:15 HH:MM 16:25 Zeit (t) Entwicklungsschritt vier sieht eine Ermittlung möglicher Wandler- Übertrager-Kombinationen vor. Hierzu werden, wie in Bild 01 dargestellt, mittels Backward-Simulation für eine bekannte Belastung (ƒ 3 ,e 3 ) mögliche Kombinationen von Antriebselementen berechnet. Zur technologieübergreifenden Beschreibung der Systemgrößen werden die Begriffe der Durchgröße (ƒ) (bspw. Drehmoment) und Quergröße (e) (bspw. Drehzahl) der Quer-Durch-Darstellung nach [3] genutzt. Die Freiheitsgrade dieser Berechnung ergeben sich aus der Wandler- und Übertragerskalierung sowie dem Wandlertyp. Der Übertragertyp wird aufgrund des geringen Wirkungsgradeinflusses nicht variiert. Die sich ergebenden Kombinationen unterliegen nach Abschluss dieses Entwicklungsschritts erneut einer Bewertung, die auf dem Niveau der Durch- und Quergröße erfolgt. Hierdurch ergibt sich eine erneute Lösungsraumreduktion. Darüber hinaus kann die Wahl des Übertragertyps zu einer weiteren Lösungsraumeingrenzung führen. Im gegebenen Beispiel wurden BLDC-Motoren aufgrund der zum Teil hohen erforderlichen Getriebeübersetzungen und der damit weiter steigenden Komponentenkosten zur Realisierung eines Antriebs nicht weiter berücksichtigt. Stattdessen sollten die in Tabelle 01 gegebenen Wandler-Übertrager- Kombinationen genutzt werden, um ein hydraulisches Abtriebssystem aufzubauen. Dieser limitierte Lösungsraum einzelner Prozessantriebe stellt die Ausgangsbasis zur Bildung eines Abtriebssystems sowie einer Auswahl der Versorgungseinheit in Entwicklungsschritt fünf dar. Insbesondere für hydraulische Abtriebssysteme bestehen viele 16:10 16:15 HH:MM 16:25 Zeit (t) Messdaten Simulation Messdaten Simulation Kombinationsmöglichkeiten, die für den Systemwirkungsgrad von hoher Bedeutung sind. Zur vollständigen Variation der Antriebe stehen die folgenden zwei Mechanismen zur Verfügung: 1. Unterschiedliche Topologien durch Variation der Wandleranordnung 2. Permutationen durch Wandertyp- oder Wandlertechnologie- Gruppierungen Im Beispiel einer Parallelschaltung aller Antriebe in einem Load- Sensing-System (LS-System) ergibt sich für eine Kombination von Orbital- und Außenzahnradmotoren eine theoretische Lösungsraumgröße zwischen 2,6 . 10 6 und 551,4 . 10 6 Konfigurationen, je nach Kombination der Motortypen. Um diese Anzahl weiter zu reduzieren, werden Randbedingungen, die sich aus der Topologie ableiten lassen, genutzt. In der weiteren Darstellung soll die Betrachtung ausschließlich anhand der in Bild 02 dargestellten Anordnung erfolgen. Diese besteht aus einer Reihenschaltung der Prozessantriebe 1 und 2 beziehungsweise 3 und 4, womit die Maschenregel zur weiteren Eingrenzung genutzt werden kann. Hierbei stellt je ein Wegeventil den Volumenstrom zu zwei in Reihe geschalteten Motoren zur Verfügung. Um ein gefordertes Drehzahlverhältnis der seriell geschalteten Prozessantriebe ohne zusätzliche Ventile darstellen zu können, wird dieses zwischen dem Referenzabtrieb (n 1 bzw. n 3 ) des Zweigs und dem zweiten Abtrieb ( n 2 bzw. n 4 ) ermittelt. Bei gleichem Volumenstrom für die in Reihe geschalteten Wandler folgt, dass alle Wandler-Übertrager-Kombinationen Gleichung 1 erfüllen müssen. 40 O+P Fluidtechnik 2020/07-08 www.oup-fluidtechnik.de

ANTRIEBSTECHNIK tels einer Kosten-Funktion nach der besten Konfiguration zu suchen. Hierzu wurde ein metaheuristischer Optimierungsalgorithmus implementiert, der die Abtriebskonfigurationen anhand einer Energiebilanz bewertet. Für kleinere Lösungsräume wurde darüber hinaus eine Lösung mittels vollständiger Enumeration implementiert. Die dabei zugrundeliegende Berechnung soll nachfolgend anhand von Bild 03 beschrieben werden. Die angestrebte Wirkungsgradverbesserung des Abtriebssystems kann durch eine Betriebspunktverschiebung an jedem Motor und zugleich durch einen Druckangleich der beiden parallelen Zweige erreicht werden. Darüber hinaus wirken sich hohe Systemdrücke und geringe Volumenströme positiv aus, da prinzipbedingte Verluste durch die in LS-Systemen durchgeführte Druckanhebung geringer ausfallen. Diese Systembetrachtung reduziert die zur Druckanpassung notwendigen Druckverluste auf ein Minimum. Der sich ergebende Unterschied zwischen der bisherigen sowie der optimierten Lösung ist in Bild 03 dargestellt. Zur Ermittlung einer möglichst optimalen Antriebslösung nach Bild 02 standen dem Algorithmus zur Verbesserung des Systemwirkungsgrades noch die in Tabelle 01 aufgeführten Wandler-Übertrager- Kombinationen sowie die Variation der Wandlertyp-Kombinationen zur Verfügung. Die Optimierung der Gesamtenergiebilanz führte zur in Tabelle 02 aufgeführten Abtriebskonfiguration. Wie aus dem Vergleich hervorgeht, werden für die Antriebe 2 sowie 4 Außenzahnradmotoren statt Orbitalmotoren eingesetzt. Diese weisen insbesondere bei höheren Drehzahlen einen besseren Wirkungsgrad auf. Um das erwähnte Drehzahlverhältnis einzuhalten, ist jedoch der Einsatz von zwei Getrieben erforderlich. Darüber hinaus sinkt das Schluckvolumen aller verbauten Motoren, woraus eine Volumenstromreduktion und Druckanhebung folgt. Neben dem Vorteil geringerer prinzipbedingter Verluste folgen hieraus auch geringere Leitungsverluste, die jedoch nicht modelliert sind. 05 1 0.8 Tabelle 01: Anzahl gültiger Wandler-Übertrager-Kombinationen Prozessantrieb Anzahl gültiger Orbitalmotor-Getriebe- Kombinationen Anzahl gültiger Außenzahnradmotor-Getriebe- Kombinationen 1 129 8 2 69 283 3 57 39 4 121 265 VALIDIERUNG Betriebspunkte der optimierten Abtriebskonfiguration im Kennfeld einer 45 cm³ Verstellpumpe 0.6 0.4 Schluckvolumen VoP (––––––) VoP, max 0.2 Zur Validierung der durchgeführten Auslegung und der hierzu durchgeführten Berechnungen, wurde diese Konfiguration in einem Versuchsträger aufgebaut und mit einer baugleichen Referenzmaschine verglichen. In den zeitgleich durchgeführten Versuchen konnte in 2,75 Stunden Messfahrten und auf mehreren Feldern eine durchschnittliche Energieersparnis von 15 % bis 25 % nachgewiesen werden. Die erzielte Energieeinsparung ist abhängig vom Drehzahlverhältnis der zwei parallel geschalteten Antriebe. Beim Vergleich der gemessenen und der berechneten Pumpenleistung ergibt sich eine gesamte relative Abweichung in Höhe von 4 %. Diese 0 0 30 60 90 120 150 bar Druck (∆p P ) 210 Ungenauigkeit ergibt sich, wie in Bild 04 dargestellt, aus einer mittleren Abweichung in Höhe von 2 % aus dem berechneten Volumenstrom sowie einer mittleren Abweichung des Drucks um ca. 4 %. Anhand der hinterlegten Kennfelder bietet das entwickelte Werkzeug auch einen detaillierteren Blick auf einzelne Antriebskomponenten. Mit zunehmendem Komponentenfokus nehmen jedoch die Abweichungen, aufgrund der verwendeten generischen Kennfelder zu. Durch die aufgebaute Backward-Simulation ergibt sich darüber hinaus eine starke Abhängigkeit zwischen Messung und Aussagekraft der Berechnung. Insbesondere bei sehr gering belasteten Aktoren führten Maschinenvibrationen am Abtrieb der Maschi- Tabelle 02: Vergleich der Abtriebskonfigurationen der Serienmaschine und des Prototyps Konfiguration der Serienmaschine Konfiguration des Versuchträgers Prozessantrieb Wandlertyp Motor-Getriebe-Kombination Wandlertyp Motor-Getriebe-Kombination 1 Orbitalmotor 200 cm 3 ; i = 1 Orbitalmotor 160 cm 3 ; i = 1 2 Orbitalmotor 80 cm 3 ; i = 1 Außenzahnradmotor 33 cm 3 ; i = 2 3 Orbitalmotor 80 cm 3 ; i = 1 Orbitalmotor 52 cm 3 ; i = 1 4 Orbitalmotor 50 cm 3 ; i = 1 Außenzahnradmotor 14 cm 3 ; i = 2,4 www.oup-fluidtechnik.de O+P Fluidtechnik 2020/07-08 41

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