Elektrisch-hydrostatische Kompaktantriebe (EKA) stellen ein innovatives, neuar-tiges Antriebskonzept dar, welches – ausgeführt als funktionsfertige Baugruppe – die Anwenderfreundlichkeit bei der Maschinenintegration, Inbetriebnahme und Wartung signifikant steigert. Elektrisch-hydrostatische Kompaktantriebe verbinden die inhärenten Vorteile hydraulischer Antriebstechnik wie beispiels-weise Robustheit, hohe Leistungsdichte und Überlastschutz mit Energieeffizi-enz, Ressourceneffizienz, Anwenderfreundlichkeit und geringem Bauraum. Auf-grund seines kompakten und kostengünstigen Aufbaus ist der Differentialzylin-der der mit Abstand am häufigsten eingesetzte Aktor bei hydraulischen Anwen-dungen. Die Herausforderung beim Einsatz eines Differentialzylinders im hyd-rostatischen Getriebe ist die Steuerung der asymmetrischen Volumenströme, die durch die einseitige Kolbenstange hervorgerufen werden.
Die vorliegende Arbeit widmet sich der systematischen Entwicklung und Unter-suchung von Schaltungskonzepten, die sich für elektrisch-hydrostatische Kom-paktantriebe mit Differentialzylinder für die industrielle Anwendung eignen. Vor dem Hintergrund eines ressourcenschonenden und wirtschaftlichen Einsatzes der Antriebe werden Vorzugsvarianten ermittelt, die sowohl energie- als auch kosteneffizient sind. Das statische und dynamische Übertragungsverhalten so-wie die Energieeffizienz der ausgewählten Schaltungen werden auf der Grund-lage von praxisnahen Demonstratoren bestimmt. Die analytische und experi-mentelle Untersuchung der Vorzugsvarianten zeigt das Potential und die Gren-zen der Schaltungskonzepte für den industriellen Einsatz auf. Darüber hinaus wird der Vergleich mit elektromechanischen Kompaktantrieben im gleichen Leistungsbereich geführt, um die erzielten Ergebnisse in der Gegenüberstellung einordnen zu können.
Um die Notwendigkeit einer aktiven Kühlung für potentielle Einsatzgebiete ohne aufwendige Experimente abschätzen zu können, werden zudem die Methoden der thermo-energetischen Netzwerksimulation auf elektrisch-hydrostatische Kompaktantriebe angewendet. Anhand eines Beispielantriebs wird ermittelt, mit welcher Genauigkeit das thermo-energetische Verhalten und die sich einstel-lende Beharrungstemperatur berechnet werden können.:1 Einleitung 1
2 Zielstellung der Arbeit 6
3 Stand der Forschung 8
3.1 Grundlagen 8
3.2 Hydrostatische Getriebe mit Gleichgangzylinder 10
3.2.1 Elektrisch-hydrostatische Aktuatoren (EHA) 11
3.3 Hydrostatische Getriebe mit Differentialzylinder 13
3.4 Thermo-energetische Analyse und Modellierung 24
4 Systematisierung der Schaltungsmöglichkeiten 27
4.1 Analyse typischer Anwendungen für EKA 27
4.2 Systematisierung der Lastfälle 27
4.3 Schaltungssystematik 29
4.4 Auswahl von Vorzugsvarianten 35
5 Einpumpenkonzept mit Ausgleichsventil 40
5.1 Aufbau und Funktionsweise 40
5.2 Demonstrator 43
5.3 Statisches Betriebsverhalten 46
5.4 Dynamisches Übertragungsverhalten 47
5.4.1 Dynamische Streckenkennwerte 47
5.4.2 Lastfallspezifisches dynamisches Verhalten 57
5.4.3 Dynamisches Verhalten bei dominanten Massekräften 60
5.5 Energieeffizienz 89
5.5.1 Elektrischer Antrieb 91
5.5.2 Hydrostatisches Getriebe 93
5.5.3 Gesamtantrieb 96
5.6 Fazit und Einsatzempfehlungen 97
6 Tandempumpenkonzept im offenen Kreis 99
6.1 Aufbau und Funktionsweise 99
6.2 Demonstrator 101
6.3 Statisches Übertragungsverhalten 102
6.4 Dynamisches Übertragungsverhalten 103
6.4.1 Dynamische Streckenkennwerte 103
6.4.2 Lastfallspezifisches dynamisches Verhalten 106
6.5 Energieeffizienz 109
6.5.1 Hydrostatisches Getriebe 109
6.5.2 Gesamtantrieb 111
6.6 Fazit und Einsatzempfehlungen 112
7 Untersuchung eines elektromechanischen Referenzantriebs 114
7.1 Bauarten, Eigenschaften und Einsatzgebiete elektromechanischer Linearantriebe 114
7.1.1 Übersetzung 117
7.1.2 Maximale Hubgeschwindigkeit 117
7.1.3 Maximale Hubkraft 117
7.1.4 Lebensdauer und Verschleiß 118
7.1.5 Wirkungsgrad 120
7.1.6 Steifigkeit 120
7.1.7 Fail-safe 121
7.2 Referenzantrieb 121
7.3 Statisches Übertragungsverhalten 122
7.4 Dynamisches Übertragungsverhalten 122
7.5 Energieeffizienz 123
7.5.1 Kugelgewindetrieb 123
7.5.2 Gesamtantrieb 124
8 Vergleich und Bewertung der Antriebssysteme 126
8.1 Statisches Übertragungsverhalten 126
8.2 Dynamisches Übertragungsverhalten 127
8.3 Energieeffizienz 128
8.4 Weiterführender Vergleich und Bewertung 129
9 Thermo-hydraulische Netzwerksimulation 134
9.1 Methodik 134
9.2 Grundlagen der Thermodynamik und Wärmeübertragung 135
9.2.1 Wärmeleitung 136
9.2.2 Konvektion 136
9.2.3 Wärmestrahlung 138
9.2.4 Wärmeübergang an Fugen zwischen Bauteilen 139
9.3 Analyse der Verlustleistungen 142
9.4 Analyse der Wärmeströme und thermischen Widerstände 145
9.4.1 Erzwungene Konvektion zwischen Öl und Innenfläche 146
9.4.2 Wärmeleitung in Festkörpern (Gehäuse) 147
9.4.3 Wärmeübergang an Fugen zwischen Bauteilen 147
9.4.4 Freie Konvektion an den Außenflächen 148
9.4.5 Wärmestrahlung an den Außenflächen 150
9.4.6 Zusammenfassung 151
9.5 Zulässige Öltemperatur des Antriebs 152
9.6 Thermo-hydraulisches Simulationsmodell des Demonstrators 152
9.7 Validierung 155
9.7.1 Vorbetrachtungen an einer Modellgeometrie 155
9.7.2 Prüfstandsaufbau und Versuchsparameter 157
9.7.3 Gegenüberstellung von Simulation und Messung 159
9.8 Sensitivitätsanalyse 162
9.8.1 Variation der Verlustleistung 163
9.8.2 Variation der Umgebungstemperatur 164
9.8.3 Variation des Korrekturfaktors für Umgebungsströmungen 165
9.9 Simulationsstudie zur Verbesserung des Wärmeabgabevermögens 166
9.10 Zusammenfassung 166
10 Zusammenfassung und Ausblick 168
11 Literaturverzeichnis 172
12 Anhang 194
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:76271 |
| Date | 13 October 2021 |
| Creators | Michel, Sebastian |
| Contributors | Weber, Jürgen, Ihlenfeldt, Steffen, Haack, Steffen, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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