Hersteller mobiler Arbeitsmaschinen sind im Zuge des angestrebten CO2-Ausstiegs zunehmendem Druck ausgesetzt, die Energieeffizienz ihrer Maschinen zu verbessern. Insbesondere vor dem Hintergrund der Elektrifizierung der Antriebssysteme als Alternative zu konventionellen fossil betriebenen Verbrennungsmotoren gewinnt die Energieeffizienz wesentlich an Bedeutung. Wurden Ventilsysteme mit getrennten Steuerkanten (gSk) aufgrund der tendenziell höheren Kosten bisher oft verworfen, so lohnt sich ihr Einsatz in Zeiten teurer Energie und hoher Preise für elektrische Akkukapazität jetzt zunehmend.
In den vergangenen Jahrzehnten wurde bereits sehr viel Forschungsarbeit auf dem Gebiet der gSk geleistet. Viele publizierte Ansätze zur Bewegungssteuerung, also der Steuerung von Druck und Volumenstrom, in diesen Mehrgrößensystemen zeichnen sich durch eine hohe Komplexität der Algorithmen und/oder die Notwendigkeit hoch leistungsfähiger Ventiltechnik aus. Aus der Nutzung regenerativer Betriebsmodi zur Energieeinsparung resultiert in vielen Fällen die Notwendigkeit einer Umschaltung zwischen den Modi in der laufenden Bewegung. Vergleiche der jeweils vorgeschlagenen Lösungen erfolgen meistens nur mit einer konventionellen Referenz, nicht aber untereinander, sodass dem Entwickler verborgen bleibt, welcher Lösungsansatz für die Probleme Bewegungssteuerung und Modusumschaltung in der betrachteten Anwendung am besten geeignet ist. Zudem wird bei der Entwicklung energiesparender Betriebsstrategien, also der situationsabhängigen Wahl von Solldrücken und Betriebsmodi, in der vorliegenden Literatur kaum auf die Auswirkungen der vorgeschlagenen Lösungen auf das Bedienverhalten der Maschine eingegangen.
Die vorliegende Arbeit soll diese Lücken schließen. Es werden verschiedene Steuerungs- und Regelungsansätze für Druck und Volumenstrom eines gSk-Systems vorgestellt, die sich durch einfache Gleichungen und eine Parametrierung nahezu ausschließlich mit leicht verfügbaren Konstruktionsdaten, sowie Unempfindlichkeit gegenüber Parameterschwankungen im Betrieb der Maschine auszeichnen. Teilweise kommen dabei Druckwaagen oder Druckregelventile als hydraulische Regler zum Einsatz. Die Algorithmen werden mittels der linearen Systemtheorie auf Stabilität untersucht und - soweit notwendig - Prüf- und Einstellverfahren hergeleitet.
Die Arbeit stellt heraus, welche nachteiligen Auswirkungen eine energieoptimale Betriebsstrategie auf das Bedienverhalten hat und schlägt als Lösung einen energetischen Kompromiss bei ungestörter Bedienbarkeit vor.
Ein Wechsel zwischen verschiedenen Betriebsmodi in der laufenden Bewegung ist mit einer stetigen Umschaltung mit einem Kurzschlussventil, einer stetigen Umschaltung mit einem Rückschlagventil, sowie einer störungsfreien diskreten Umschaltung mit einer Druckwaage realisierbar. Diese drei und die aus der Literatur bekannte diskrete Umschaltung ohne weiter Maßnahmen werden miteinander verglichen.
Die aus den theoretischen Vorüberlegungen favorisierten Lösungsansätze für die vorgenannten Themengebiete Bewegungssteuerung, Betriebsstrategie und Modusumschaltung werden an einem Baggerarm-Laborprüfstand mit verschiedenen Ventilsystemen in realitätsnahmen Szenarien validiert, wobei der Schwerpunkt der Versuche auf der Analyse des Bedienverhaltens und der Komponentenanforderungen liegt.
Die Ergebnisse zeigen, dass es unter Beachtung und Umgehung einiger in der Arbeit identifizierter Fallstricke möglich ist, mit mobiltypischer Hardware und einfachen Algorithmen ein gut bedienbares und energieeffizientes gSk-System aufzubauen. Weiterhin bilden die erreichten Ergebnisse die Basis für anforderungsabhängige Empfehlungen bestimmter Ansätze für die jeweiligen Detailfragen Bewegungssteuerung, Modusumschaltung und Betriebsstrategie. Damit ist dem Ingenieur ein Leitfaden zur anwendungsabhängigen Entwicklung eines gSk-Ventilsystems gegeben.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:91566 |
| Date | 18 June 2024 |
| Creators | Lübbert, Jan Frederik |
| Contributors | Weber, Jürgen, Scheidl, Rudolf, 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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