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Erforschen und Entwickeln eines technisch tropffreien und im Druckentlasten leckagefreien Kupplungssystems





Hydraulische Systeme sind aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte in einer Vielzahl von Anwendungen vorteilhaft einsetzbar. Unterschieden werden stationäre Anwendungen, wie Fertigungseinrichtungen oder Pressen sowie mobile Anwendungen, zu denen Nutzfahrzeuge sowie land- und forstwirtschaftliche Maschinen gehören. Allen Anwendungen ist gemein, dass Leistung mittels eines Druckfluids von einem generatorischen Teil, der Pumpe, an einen aktorischen Teil, z. B. einen Hydromotor oder einen Hydraulikzylinder übertragen wird. Dies geschieht mithilfe von Rohr- bzw. Schlauchleitungen. Insbesondere in mobilen Anwendungen ist es häufig erforderlich, eine Austauschbarkeit der Aktoren zu ermöglichen. Beispielsweise kann das hydraulische System eines Ackerschleppers dazu genutzt werden, verschiedene Erntemaschinen, die mit hydraulischen Systemen ausgestattet sind, zu betreiben. Diese werden je nach Aufgabe an das Hydrauliksystem des Ackerschleppers angeschlossen, wofür dieser eine geeignete Schnittstelle zur Verfügung stellen muss.

Projektidee und Aufgabenstellung

Mit dem im Rahmen des Vorhabens zu entwickelnden Kupplungssystem wird daher das Ziel verfolgt, hydraulische Leitungsabschnitte bei unbekannten Druckzuständen in den jeweiligen Leitungsvolumen sicher und von Hand zu kuppeln bzw. zu entkuppeln. Im Gegensatz zu anderen am Markt bestehenden Konzepten soll die erforderliche Handkraft für das Kuppeln (ca. 100 N) unabhängig der anliegenden Leitungsrestdrücken nicht überschritten werden. Weiterhin soll durch ein kontrolliertes Öffnen und Schließen der Strömungsgeometrie die Leckage minimiert und somit die Umwelt weniger belastet werden. Durch eine Optimierung hinsichtlich höherer Betriebsdrücke bei gleichzeitig geringeren strömungsbedingten Energieeinbußen soll das neu entwickelte Kupplungssystem die künftigen Marktanforderungen erfüllen.

Bild 1: Zielsetzung


Auszug aus der Anforderungsliste

Die durch das Kupplungssystem zu erfüllenden Anforderungen wurden in einer ausführlichen Liste festgehalten. Hierbei wurden sowohl solche Forderungen definiert, welche für eine Funktionserfüllung unbedingt einzuhalten sind, als auch solche, die eine zusätzliche vorteilhafte Eigenschaft der Kupplung beinhalten, welche aber für die Funktion nicht zwingend notwendig sind.
Die Kupplung muss den Bediener in die Lage versetzen, hydraulische Teilsysteme bis zu einem Restbetriebsdruck von 350 bar miteinander zu verbinden. Dabei darf für den Kupplungsvorgang weder ein spezielles Werkzeug erforderlich sein, noch darf eine angenommene Handkraft von 100 N überschritten werden. Als Energiequelle steht darüber hinaus nur das hydraulische System zur Verfügung, wobei einzuschränken ist, dass der zur Verfügung stehende Druck im allgemeinen Fall geringer als der Betriebsdruck des Hydrauliksystems ist. Ggf. kann auch im System gespeicherter Druck genutzt werden. Eine Entlastung des Restdrucks in einen Auffangbehälter, wie es dem aktuellen Stand der Technik entspricht, ist nicht zulässig. Diese muss, falls erforderlich, intern erfolgen.
Während des Betriebs darf die Kupplung nicht durch auftretende Strömungskräfte verschlossen werden. Geometrische Anforderungen an das Kupplungssystem umfassen die Kompatibilität mit Kupplungssteckern nach DIN ISO 16028 sowie die Einhaltung eines noch nicht abschließend festgelegten Bauraums, der den von bestehenden Systemen nach Möglichkeit nicht signifikant überschreiten soll.


Entwicklung einer Grundkonzeption neuer Kupplungssysteme

Aus der Anforderungsliste wurden verschiedene Konzepte erarbeitet und bewertet.

Bild 2: Bewertungskriterien



Drei Konzepte wurden zu einem funktionsfähigen Labormustern ausgearbeitet.

Bild 3: Gefertigte Labormuster

Alle Muster wurden auf Prüfständen bezüglich Druckabfall, Betätigungskraft und Verschmutzung getestet.

Ergebniszusammenfassung

Die erfolgreich getesteten Funktionsmuster wurden im Rahmen von FEM-Simulationen auf Berstdrücke von 1400 bar ausgelegt und mithilfe von CFD-Simulation hinsichtlich des strömungsdynamischen Durchflussverhaltens optimiert. Weiterhin wurden Maßnahmen erarbeitet, die die Weichdichtung im Bereich des Dichtsitzes entlasten, um eine höhere Lebensdauer selbiger zu erzielen.
Im Bereich der Dichtungen konnte im Experiment festgestellt werden, dass bei stark abweichenden Innendrücken der zu verbindenden Leitungsvolumen die Dichtung teils zerstört wurden. Dies führte zum nicht einwandfreien Schließen der Elemente nach dem Trennen, da Dichtungsrückstände die Schließkörper verklemmten. Als Ursache wurde zum einen der Strömungsjet nahe der Dichtung ausgemacht, der während des Druckausgleiches hohe Geschwindigkeiten erreicht und die Dichtung quasi herausspült. Weitere Ursachen werden in der prinzipbedingten Öffnungskinematik der Dichtungselemente vermutet, die einen Richtungswechsel der wirksamen Druckkräfte von axialer in radialer Richtung zur Folge haben und die Dichtung durch den größer werdenden Spalt während des Öffnens heraussprengen. Diese Problematik kann analog zum Stand der Technik durch ein Verklemmen der Dichtung kompensiert werden.
Als finale Lösung wurde ein aktives Kupplungskonzept verfolgt, das die erarbeiten Teillösungen in einer kompakten Ausführung vereint. Alle angestrebten Projektziele werden mit dem Konzept erfüllt, jedoch stehen den Vorteilen entsprechende Fertigungskosten aufgrund geringer Toleranzen und einer gestiegenen Komponentenzahl entgegen. Dem weiterverfolgten passiven Ansatz konnte aufgrund der bis zum Projektende vorherrschenden Schwächen seitens der Dichtung abschließend keine Funktionssicherheit attestiert werden.
Die anstehenden Erprobungen in der Praxis sowie eine mögliche Markteinführung selbst müssen künftig zeigen, ob die Vorteile für den Anwender selbst signifikant genug sein werden, sodass dieser höhere Komponentenkosten toleriert. Demgegenüber könnte eine umfangreichere Untersuchung des Dichtkonzeptes der passiven Lösung dazu führen, dass ein kostengünstigerer Kompromiss gefunden und auf dem Markt etabliert werden kann.


Patentanmeldung

Im Rahmen des Projekts wurden die maßgeblichen Erkenntnisse zum Patent angemeldet. Das erteilte Patent wird unter der Nummer EP000002564105B1 geführt. Ein Verweis auf den Mittelgeber ist im Patent nicht möglich.

Das Forschungsprojekt wurde im Rahmen des EU-NRW-Ziel-2-Programms "Automotive.NRW" mit Finanzmitteln der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und der Landes Nordrhein-Westfalen gefördert (Förderkennzeichen: 280214912). Das IFAs dankt dem zuständigen Ministerium für Wirtschaft, Mittelstand und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen und dem Projektträger, der NRW.Bank, für die großzügige Unterstützung der Forschungs- und Transferarbeiten.


Verantwortlich: Dr.-Ing. Christian Schleihs

Dr.-Ing. Christian Schleihs
Chief Engineer
+49-241-80-47702
Christian.Schleihs@ifas.rwth-aachen.de

- business manager of institute
- business manager of "Society of Advancement for Fluid Power Technology Inc."
- Contact for industrial requests


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