Elektrohydraulische Steuerungen mit getrennten Steuerkanten stellen komplexe, mechatronische Systeme dar, welche durch ein enges Zusammenspiel der beteiligten Komponenten, ihrer strukturellen Anordnung, der notwendigen Sensorik und Elektronik, sowie den funktionsgebenden Algorithmen charakterisiert sind. Die vielfältigen Umsetzungsvarianten in den jeweiligen Gebieten und speziell im Bereich der Steuer- und Regelalgorithmen erschweren eine zielgerichtete Entwicklung, Bewertung und Auswahl. Neben ökonomischen Randbedingungen bildet vor allem eine beherrschbare Komplexität der Steuerungen, im Sinne der Robustheit und Handhabbarkeit, ein wesentliches Merkmal. Im Kern der Arbeit steht die Frage, welche Systemarchitektur für eine spezifische Maschinen- bzw. Arbeitsaufgabe aus Funktions- und Effizienzsicht optimale Eigenschaften aufweist. Dafür ist es notwendig, den Betrachtungsraum über alle Hierarchieebenen hinweg mit ihren jeweiligen Abhängigkeiten zu berücksichtigen. Ein strukturierter und iterativer Entwicklungsprozess, welcher dieWechselwirkungen der Einzellösungen frühzeitig einbezieht, dient dabei als Vorgehensmodell. In jeder Ebene sind Synthese,Analyse und Validierungsschritte notwendig, um die resultierenden Systemeigenschaften bewerten zu können. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf einer Einbindung der Steueralgorithmen und einem stufenweisen Test mithilfe simulativer und experimenteller Untersuchungen. Die vorliegende Arbeit stellt eine Struktur- und Schaltungssystematik, zur zielgerichteten Ableitung von Strukturvarianten unter Berücksichtigung der Art und Anordnung der beteiligten Komponenten, zur Verfügung. Für die als Grundstruktur oder Basiskonfiguration bezeichnete Systemvariante, bestehend aus vier proportional verstellbaren Einzelwiderständen in Brückenanordnung, erfolgt eine regelungstechnische Analyse des vorliegenden Mehrgrößensystems. Zusätzlich zum Streckenverhalten (offene Steuerkette) ist das resultierende Verhalten der Kombination Strecke und Steuerung von Interesse. Den Schwerpunkt bilden insbesondere die Analyse des Führungs- und Störverhaltens, sowie die Kopplungseigenschaften des resultierenden Gesamtsystems. Um das funktionale Verhalten der gewählten System- und Steuerungsstruktur tiefgreifender analysieren und ihre Funktionsfähigkeit nachzuweisen zu können, wird ein Labordemonstrator in Form eines Baggerarmprüfstandes genutzt. Hierbei erfolgen jeweils eine virtuelle Untersuchung in einer Systemsimulationsumgebung, als auch der messtechnische Nachweis. Ein analoges Vorgehen wird für die Untersuchung des funktional-energetischen Verhaltens im Gesamtmaschinenkontext gewählt. Das simulativ ermittelte und optimierte Verhalten wird durch umfangreiche Untersuchungen am Maschinendemonstrator, im Rahmen von Maschinenmessungen verifiziert. Die dabei gewonnen Erkenntnisse dienen als Randbedingungen für eine weitreichende simulationstechnische Gegenüberstellung mit alternativen Antriebstechnologien. Erst diese Maßnahme ermöglicht die Einordnung der erzielten Ergebnisse des Untersuchungssystems.:1 Einleitung 1 2 Stand der Wissenschaft und Technik 3 2.1 Aufbau und Funktionsweise von Erdbaumaschinen 3 2.2 Steuerungssysteme mobiler Arbeitsmaschinen 6 2.2.1 Ventilgesteuerte Systeme in Open-Center Ausführung 9 2.2.2 Ventilgesteuerte Systeme in Closed-Center Ausführung 11 2.2.3 Verdrängergesteuerte Systeme 15 2.2.4 Hydraulische Hybridsysteme 18 2.3 Systeme mit getrennten Steuerkanten 21 2.3.1 Ventilstrukturen und Betriebsmodi 22 2.3.2 Aufbau und Funktionsweise proportionaler Sitzventile 28 2.3.3 Steuerungs- und Regelungskonzepte 31 3 Motivation und Zielsetzung 38 4 Entwurf und Systematisierung von Schaltungsvarianten 41 4.1 Methodik im Systementwurf 42 4.2 Varianten der Ventilstrukturen 45 4.3 Varianten der Ventilsteuerung 51 4.4 Varianten der Versorgungs- und Gesamtsysteme 53 5 Übertragungseigenschaften von Mehrgrößensystemen 58 5.1 Charakterisierung Mehrgrößenbegriff 58 5.2 Mathematische Beschreibung des ventilgesteuerten Zylinderantriebs 62 5.3 Herleitung des nichtlinearen, modellbasierten Vorsteuergesetzes 71 5.4 Analyse Zusammenhänge in Mehrgrößensystemen 74 5.4.1 Analyse des statischen Koppelfaktors 76 5.4.2 Analyse der dynamischen Kopplungseigenschaften 80 6 Untersuchungen am Labordemonstrator 87 6.1 Struktur und Aufbau des Labordemonstrators 87 6.2 Untersuchungsmethodik 89 6.3 Modellentwicklung des Labordemonstrators 92 6.3.1 Modellierung der Ausrüstungsmechanik und Prozessbelastung 93 6.3.2 Modellierung des Antriebssystems 95 6.3.3 Umsetzung der Ansteuerung - Software in the Loop 97 6.4 Validierung des Gesamtantriebsmodells 98 6.5 Beschreibung und Analyse der Steuerung 100 6.5.1 Statisches Verhalten im Einzelverbraucherbetrieb 103 6.5.2 Dynamisches Verhalten im Einzelverbraucherbetrieb 105 6.5.3 Statisches Verhalten im Mehrverbraucherbetrieb 108 6.5.4 Dynamisches Verhalten im Mehrverbraucherbetrieb 110 6.6 Zusammenfassung und Bewertung 114 7 Integration und Funktionstest am Maschinendemonstrator 115 7.1 Aufbau und Funktionsweise des Standardantriebssystem 116 7.2 Entwicklung und Integration des Antriebsprototyps 121 7.3 Modellentwicklung des Maschinendemonstrators 130 7.3.1 Ausrüstungs- und Fahrzeugmechanik 131 7.3.2 Verbrennungsmotor 133 7.3.3 Verstellpumpen 135 7.3.4 Steuerventile 136 7.3.5 Proportional-Sitzventil 137 7.3.6 Drehwerkssteuerung 139 7.4 Validierung und simulative Erprobung des des Gesamtsystems 140 7.5 Experimentelle Erprobung und Analyse des GSK-Systems 149 7.6 Zusammenfassung und Bewertung 157 8 Modellgestützte Analyse und Vergleich der Energieeffizienz 159 8.1 Modellgestützte Effizienzanalyse in mobilen Arbeitsmaschinen 159 8.1.1 Vollständige Zyklenspiele 161 8.1.2 Standardzyklus 164 8.1.3 Äquivalente Referenzzyklen 165 8.1.4 Fazit 166 8.2 Entwicklung und Beschreibung von Antriebssystemvarianten 168 8.2.1 Mehrkreis Drosselsteuerung 3K-OC-DS 170 8.2.2 Mehrkreis Load-Sensing Steuerung 2K/3K-CC-LS 172 8.2.3 Mehrkreis Verdrängersteuerung 3K/4K-DC 174 8.2.4 Systemvarianten mit getrennten Steuerkanten 2K/3K-IM 176 8.2.5 Mehrkreis Hybridsysteme 3K-Hy 180 8.3 Ergebnisse der Effizienzanalyse 188 8.3.1 Mehrkreis Drosselsteuerung 3K-OC-DS 188 8.3.2 Mehrkreis Load-Sensing Steuerung 2K/3K-CC-LS 193 8.3.3 Mehrkreis Verdrängersteuerung 3K/4K-DC 194 8.3.4 Systemvarianten mit getrennten Steuerkanten 2K/3K-IM 196 8.3.5 Hybridsystemvarianten 3K-Hy / 3K-CP 198 8.3.6 Gesamtsystemvergleich 200 9 Zusammenfassung und Ausblick 203 10 Literaturverzeichnis 209 A Anhang 233 A.1 Systematisierung von Schaltungsvarianten 233 A.1.1 Metrik zu Ermittlung der Schaltungseffizienz 233 A.2 Untersuchungen Mehrgrößensystem 242 A.2.1 Linearer Signalflussplans eines Systems mit vorgeschalteter Druckwaage 242 A.2.2 Darstellung der Systemmatrizen des ventilgesteuerten Zylinderantriebs 243 A.2.3 Kopplungsanalyse der offenen Steuerkette 243 A.2.4 Kopplungsanalyse der dezentralen Einfachregelung 245 A.2.5 Kopplungsanalyse linearer Entkopplungsfilter 246 A.2.6 Kopplungsanalyse nichtlineare Vorsteuerung 248 A.3 Untersuchungen am Systemprüfstand 250 A.3.1 Kinematikgleichungen 250 A.4 Untersuchungen am Demonstrator 251 A.4.1 Modellierung Mehrkörperstruktur 251 A.4.2 Werkzeug-Boden-Kontakt 252 A.4.3 Dynamische Vermessung Porportional-Sitzventil 253 A.5 Sytemvergleich 254 A.6 Methoden und Verfahren der Effizienzermittlung 254 A.6.1 Validierung Referenzsystem 259 A.6.2 Ergebnisse Effizienzanalyse 260