Dezentrale kompakte Hydraulikversorgung durch High-Speed-Komponenten
Ein Hemmnis für den Einsatz von elektro-hydraulischen Achsen (EHA) auf mobilen Arbeitsmaschinen stellt die nach dem Stand der Technik bislang erzielbare Leistungsdichte von elektro-hydraulischen Antrieben dar. Eine dezentrale Hydraulikversorgung verbindet die Vorteile einer bedarfsgerechten Bereitstellung der hydraulischen Leistung am Verbraucher sowie reduzierte Leitungsverluste. Zur Steigerung der Leistungsdichte wurde am ifas eine High-Speed-Innenzahnradpumpe für einen elektro-hydraulischen High-Speed-Antrieb entwickelt.
| Nutzen | Vorgehen |
|---|---|
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Steigerung der Leistungsdichte elektro-hydraulischer Antriebe durch High-Speed Komponenten |
Entwicklung einer High-Speed-Innenzahnradpumpe |
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Anheben des Drehzahlniveaus hydraulischer Pumpen |
Wirkungsgraduntersuchungen der Innenzahnradpumpe |
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Dezentrale EHA für mobile Anwendungen |
Entwicklung einer EHA mit High-Speed Antrieb |
Kontakt
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Forschungsgruppe Hochleistungskomponenten
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Dezentrale kompakte Hydraulikversorgung durch Highspeed Komponenten
In mobilen Arbeitsmaschinen, wie zum Beispiel Baggern, wird die hydraulische Leistung üblicherweise von einer zentralen Druckversorgung im Fahrzeug bereitgestellt. Diese bestehen in der Regel aus einer oder mehreren Pumpen. Der Bediener kann die Aktuatoren der Arbeitshydraulik mit Hilfe von Ventilen steuern. Allerdings wird durch die Ventilsteuerung ein Teil der hydraulischen Leistung abgedrosselt und in Wärme umgesetzt. Mit Hilfe von Schlauch- und Rohrleitungen wird die hydraulische Leistung an die einzelnen Aktuatoren geleitet. Dabei entstehen wiederum Leitungsverluste. Eine bedarfsgerechte Leistungszuführung mit einem drehzahlvariablen Antrieb reduziert prinzipbedingt Drosselverluste. Eine dezentrale Anordnung der Leistungsbereitstellung, direkt am Verbraucher, minimiert die Übertragungsverluste in den Leitungen.
Zielsetzung
Im Rahmen dieses Projekts wurde eine EHA mit High-Speed-Antrieb erforscht. Dazu wurde eine High-Speed-Innenzahnradpumpe entwickelt. Das Anheben des Drehzahlniveaus steigert die ohnehin schon vergleichsweise hohe Leistungsdichte der Hydraulik, stellt aber auch hohe Anforderungen an die Pumpe und das hydraulische System der EHA. Ziel des Projekts war es die Leistungsdichte und Kompaktheit des elektrohydraulischen Antriebs durch High-Speed-Komponenten zu erhöhen und damit elektro-hydraulische Antriebe für die Anwendung in mobilen Arbeitsmaschinen attraktiver zu machen.
Numerische Strömungssimulation (CFD)
Um das Betriebsverhalten der Pumpe bei den hohen Drehzahlen zu optimieren, wurden am ifas numerische Strömungsberechnungen der Innenzahnradpumpe durchgeführt, sogenannte Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulationen.
Ziele der CFD-Simulation waren:
- Strömungsvorgänge innerhalb der Pumpe verstehen
- Optimierung der Pumpe für den High-Speed-Betrieb
- Auslegung der Innenzahnradpumpe
High-Speed-Antrieb
Im Rahmen dieses Projektes wurde an einem High-Speed-Antrieb geforscht. Dazu wurde eine Innenzahnradpumpe entwickelt und im Anschluss erprobt. Die Systemarchitektur der EHA wurde auf den High-Speed-Antrieb und die Anwendung im Bereich mobiler Anwendungen abgestimmt.
Im Bild links ist das Funktionsmuster der High-Speed Innenzahnradpumpe mit dem 48 V High-Speed Motor dargestellt. Die Nennleistung des Motors beträgt 10 kW. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde der High-Speed Antrieb auf dem Komponentenprüfstand untersucht. Im Bild rechts ist der Volumenstrom und der volumetrische Wirkungsgrad über der Antriebsdrehzahl dargestellt. Die Saugseite der Pumpe (ND) wurde dazu mit einer separaten Pumpe vorgespannt. Der geförderte Volumenstrom steigt bis zur Maximaldrehzahl von fast 10000 min-1 linear an, sodass die Füllgrenze der Pumpe nicht erreicht wird. Wird die Saugseite der High-Speed Pumpe nicht vorgespannt (selbstsaugen) konnte eine Grenzdrehzahl von 5500 min-1 am Prüfstand ermittelt werden und entspricht damit einer Drehzahlsteigerung von 10% bis 50% gegenüber dem Stand der Technik.
Elektro-hydraulische Achse (EHA) mit High-Speed-Antrieb
Das im Rahmen des Forschungsvorhabens entwickelte Funktionsmuster einer EHA wurde inklusive des elektro-hydraulischem High-Speed-Antriebs an einem Kompaktbagger erprobt. Dazu wurde der herkömmliche Stielzylinder durch die entwickelte EHA ausgetauscht. Die Erprobung am Fahrzeug zeigt die Machbarbarkeit des dezentralen Antriebskonzeptes.
Danksagung
Das IGF-Vorhaben 19224 N / 1 und 19224 N / 2 der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. – FKM, Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und –entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Mit freundlicher Unterstützung von
- TwinMesh by CFX Berlin
- BAUER Maschinen GmbH
- Volvo Construction Equipment Germany GmbH
- Hydac
- Wilhelm Hoven Maschinenfabrik GmbH & Co
- Eckerle Technologies GmbH
- HydraForce
- Bosch
Veröffentlichungen
| Schlussbericht Dezentrale kompakte Hydraulikversorgung durch High-Speed-Komponenten |
Veröffentlichungen
| Titel | Autor(en) |
|---|---|
| Messtechnische Erprobung einer elektro-hydraulischen Linearachse mit High-Speed Antrieb Buchbeitrag, Beitrag zu einem Tagungsband (2021) | Pietrzyk, Tobias (Corresponding author) Schmitz, Katharina |
| Design of a High Speed Internal Gear Pump to Increase the Power Density of Electro Hydraulic Actuators (EHA) in Mobile Applications Buchbeitrag, Beitrag zu einem Tagungsband (2019) | Pietrzyk, Tobias Roth, David Johannes Jacobs, Georg (Corresponding author) Schmitz, Katharina (Corresponding author) |
| Bauraumreduktion durch Drehzahlanhebung - Einsatz von High-Speed-Antrieben in elektrohydraulischen Linearaktuatoren für mobile Anwendungen Buchbeitrag, Beitrag zu einem Tagungsband (2019) | Roth, David Johannes Jacobs, Georg Kramer, Achim Krech, Max Pietrzyk, Tobias (Corresponding author) Schmitz, Katharina |
| Entwicklung und Auslegung einer elektro-hydraulischen Achse mit einem 48 V High-Speed-Antrieb zur Dezentralisierung der Arbeitshydraulik eines Kompaktbaggers Buchbeitrag, Beitrag zu einem Tagungsband (2019) | Pietrzyk, Tobias (Corresponding author) Schmitz, Katharina Lee, Seong-Ryeol Roth, David Johannes Jacobs, Georg |
| Dezentrale kompakte Hydraulikversorgung durch High Speed-Komponenten Fachzeitschriftenartikel (2019) | Roth, David Johannes (Corresponding author) Jacobs, Georg Pietrzyk, Tobias Schmitz, Katharina |
| Design study of a high speed power unit for electro hydraulic actuators (EHA) in mobile applications Buchbeitrag, Beitrag zu einem Tagungsband (2018) | Pietrzyk, Tobias (Corresponding author) Roth, David Johannes Schmitz, Katharina Jacobs, Georg |