O+P Fluidtechnik 9/2018

FORSCHUNGSFONDS

FORSCHUNGSFONDS FLUIDTECHNIK SIMULATIONSGESTÜTZTE THERMISCHE ANALYSE DER SPALTSTRÖMUNGEN IN EINER AXIALKOLBENPUMPE ZUR VERBESSERUNG IHRES SCHMIER- UND LECKAGEVERHALTENS M. Sc. Ahmed El Shorbagy, Institut für Fluidtechnik, IFD, der TU Dresden Förderung: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V. (AiF) aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi); Nr. 18975 BR/1 FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG ZIELSETZUNG: Für eine hohe Energieeffizienz moderner Hydrauliksysteme müssen insbesondere die Teillastwirkungsgrade der eingesetzten Verdrängereinheiten verbessert werden. Der tribologische Kontakt Zylindertrommel-Steuerspiegel verursacht die größten Anteile an Leckagen und Drehmomentverlusten durch Reibung in Axialkolbenpumpen. Die optimale Auslegung dieses Tribokontaktes ist deshalb der Schlüssel zur Steigerung der Teillasteffizienz. Dabei müssen neben der hydrostatischen und hydrodynamischen Abstützung druck- und temperaturabhängige Bauteilverformungen und Fluidstoffdaten berücksichtigt werden. Ziel des Forschungsprojektes ist die experimentelle und numerische Untersuchung des Spalts zwischen Zylindertrommel und Steuerspiegel. Da derzeit der 03 Ergebnisse der Spalt- und Temperaturmessung Industrie dazu kein geeignetes Spalt-Berechnungswerkzeug zur Verfügung steht, soll im Projekt ein auf 2-Wege-Fluid-Struktur- Interaktion basierender Simulationsansatz entwickelt werden, der in der Lage ist, die im Spalt auftretende thermischen sowie strömungstechnischen Vorgänge zu beschreiben. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK: Die Anhebung der Teillasteffizienz von Verdrängereinheiten durch verringerte Reib- und Leckageverluste in den tribologischen Kontaktpaarungen stellt einen interessanten Forschungsgegenstand zur Erfüllung der Anforderungen moderner Hydrauliksystemarchitekturen dar. Dabei ist der optimale Einsatz von Verdrängersteuerungen systemseitig und die Minimierung von Reibung und Leckagen pumpenseitig der Schlüssel zur Effizienzsteigerung, insbesondere für Teillastbetriebspunkte. Hierfür werden bisher iterative Konstruktionsanpassungen auf der Basis zeitaufwendiger und kostenintensiver Versuchsreihen mit Prototypen durchgeführt. Durch die Analyse der experimentellen Untersuchungen war es möglich ein vertieftes Verständnis der thermischen Wechselwirkungen im Spalt zwischen Zylindertrommel und Steuerspiegel zu entwickeln. Bisher wurden nur stationäre Betriebspunkte ausgewertet. Eine Korrelation zwischen dem Druck, der Drehzahl, den Spalthöhen und den mittleren Spalttemperaturen bei unterschiedlichen Betriebspunkten konnte nachgewiesen werden. Ein 1-Weg-FSI- Modell zur Berechnung der temperatur- und druckbedingten Deformationen wurde entwickelt. Ein weiteres Teilmodell zur Abbildung der Mikro-Bewegung der Zylindertrommel wurde implementiert. Dieses soll entlastend auf die Deformationen, die bei dem FSI- Modell berechnet wurden, wirken. Es wird zurzeit dran gearbeitet die Kopplung zwischen den einzelnen Teilmodellen herzustellen. 44 O+P Fluidtechnik 9/2018

FORSCHUNGSFONDS FLUIDTECHNIK ELEKTROHYDRAULISCHE KOMPAKTANTRIEBE MIT SCHALTBARER ÜBERSETZUNG Dipl.-Ing. Giacomo Kolks, Institut für Fluidtechnik, IFD, der TU Dresden Förderung: Forschungsfonds Fluidtechnik im VDMA, FKM-Nr. 703490 ZIELSETZUNG: Ziel des Forschungsvorhabens ist die systematische Erarbeitung von Strukturen zur Umsetzung einer schaltbaren Übersetzung in elektrohydraulischen Kompaktantrieben mit hermetisch ab geschlossenem Ölkreislauf. Zur Wahrung der Kompaktheit der Antriebe wird eine einseitig ausfahrende Kolbenstange als Rand - bedingung festgelegt. 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 er arbeiten. Diese Methodik lässt Rückschlüsse auf die optimal umzusetzenden Übersetzungsverhältnisse zu. Systemtechnisch stellt eine diskrete Umschaltung der Getriebeübersetzung eine Unstetigkeit dar. Es 04 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 laufende Forschungsvorhaben zielt darauf ab, elektrohydraulische Kompaktantriebe mit einer umschaltbaren Übersetzung auszustatten, die gegenüber elektromechanischen Antrieben ein Downsizing des elektrischen Antriebs erlauben soll. Dazu wurde eine Systematik entwickelt, die es zunächst erlaubt, die prinzipiellen Vorteile in Bezug auf das Downsizing der elektrischen Antriebskomponenten abzuschätzen. Lösungsräume zur diskreten Umschaltung des Übersetzungsverhältnisses wurden systematisch aufgespannt und relevante Konzepte für Sys teme mit abgeschlossenem Ölkreislauf synthetisiert. Dabei sind diverse Lösungsansätze mit Mehrkammerzylindern und Mehrpumpenantrieben entstanden. Zwei Vorzugsvarianten wurden zu Demonstratoren weiterentwickelt und befinden sich im Aufbau. Parallel wird modellbasiert ein geeignetes Konzept zur anregungsarmen Umschaltung zwischen den Übersetzungsstufen erarbeitet. Im weiteren Projektverlauf finden die Inbetriebnahme der Demonstratoren und die Validierung von Downsizing-Potential und Umschaltstrategie statt. CAD-Renderings, Funktionsprinzip und Schaltbilder der beiden Demonstratoren O+P Fluidtechnik 9/2018 45