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antriebstechnik 10/2016

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06 MMDS-Prüfstand b)

06 MMDS-Prüfstand b) Für einen möglichst einfachen Getriebeaufbau werden beide Konzepte einstufig, geradverzahnt und mit einer einzelnen Abtriebswelle ausgelegt. c) Für die Lagerungen wird eine Mindestlebensdauer von 10 000 Stunden gefordert, wobei bei dem MMDS-Getriebe aus Gründen der Modularität für alle Einzelantriebsstränge der größte verwendbare Motor als Auslegungsreferenz genutzt wird. Sämtliche Lagerungen werden als Fest-Los-Lagerungen ausgeführt. d) Die Materialausnutzung der Getriebekomponenten soll in beiden Fällen annähernd identisch sein. Weiterhin wird eine vergleichbare Torsionssteifigkeit der Getriebe gefordert, sodass bei Maximalbelastung der Torsionswinkel der Wellen 0,35° nicht überschreitet. e) Für beide Getriebevarianten wird eine Tauchschmierung verwendet. Die Eintauchtiefen von unter Öl laufenden Ritzeln und Rädern sollen vergleichbar sein. f) Es werden vergleichbare Gehäusedimensionen (annähernd identischer Abstand der Verzahnteile zu den Gehäusewänden) gefordert, sodass vergleichbare Strömungs- und Spritzölverhältnisse entstehen. g) Für die Verzahnung werden eine Grübchensicherheit von mindestens 1,3 und eine Sicherheit gegen Zahnfussbruch von mindestens 2,0 gefordert. h) Um die Anwendbarkeit der Gleichung (4) sicherzustellen, werden bei gegebenem Schmierstoff ausschließlich Wellendrehzahlen betrachtet, bei denen das Produkt aus dynamischer Schmierstoffviskosität v und Wellendrehzahl n W die Bedingung v⋅n W > 2 000 mm2 / (s.min) erfüllt. i) Die Verzahnungsgeometrie von MMDS-Getriebe und SMDS- Getriebe ist identisch. Einzig die Zahnbreite verbleibt als freier Entwurfsparameter. j) Um die Gültigkeit der Gleichung (2) zu gewährleisten liegt das Verhältnis von Nenn-Zahnnormalkraft und Zahnbreite unterhalb von 150 N/mm. Weiterhin liegen die betrachteten Tangentialgeschwindigkeiten der Verzahnung unterhalb von 10 m/s. k) Die Abdichtung der Wellen an den Gehäuseaustrittsstellen geschieht mittels Radialwellendichtringen. l) Um die größten Vorteile der mechanischen Rekonfigurierbarkeit zu nutzen, wird ein Schieberadkonzept integriert. Unter Berücksichtigung der Randbedingungen a) bis l) wurden ein MMDS-Sammelgetriebe und ein leistungsäquivalentes SMDS- Getriebe entworfen (Bild 05). Der Festigkeitsnachweis der Komponenten, die Lagerberechnung und die Auslegung der Verzahnung wurden dabei mit Hilfe des Softwaretools Kisssoft vorgenommen. Durch die Aufteilung der MMDS-Antriebssystemnennleistung konnten die Komponenten der Einzelantriebsstränge wesentlich kleiner dimensioniert werden als die Komponenten des SMDS- Antriebsstrangs. Bei der Tauchschmierung ist für das MMDS-Getriebe zu beachten, dass aufgrund der Positionierung der Einzelantriebsstränge nur die beiden unteren Ritzel und Lagerungen im Ölbad laufen, während die oberen Ritzel und Lager ausschließlich durch Spritzöl geschmiert werden. Die Tabelle fasst die für die Verlustleistungsberechnung der Getriebe relevanten Komponentendaten zusammen. Abgesehen von der Abtriebswelle und deren Dichtung konnten alle Komponenten des MMDS kleiner dimensioniert werden als die des SMDS-Getriebes. Insbesondere die Reduktion des Antriebswellendurchmessers, der antriebsseitigen Lagerdurchmesser sowie die geringere Zahnbreite der Ritzel und des Sammelrades führen nach den Gleichungen (1)-(5) zu geringeren Einzelverlustleistungen der Komponenten. Es ist jedoch zu prüfen, ob die Gesamtverlustleistung des MMDS unterhalb der SMDS-Verlustleistung liegt, da die Einzelverlustleistungen der Komponenten zwar geringer sind, die Anzahl verlustverursachender Komponenten jedoch deutlich gesteigert wurde (Tabelle / Bild 05). Ein Vergleich der Gehäusemaße zeigt, dass das MMDS-Getriebe nur unwesentlich größer gestaltet wurde als das SMDS-Getriebe. Wird berücksichtigt, dass die zu verwendenden Motoren im MMDS eine kürzere Baulänge aufgrund einer geringeren Nennleistung je Einzelmotor aufweisen, so haben beide Antriebssysteme einen ähnlichen Platzbedarf. Die aus dem ersten Beitrag bekannte, allgemeine Anforderung an ein MMDS nach Einhaltung bekannter und üblicher Schnittstellen, ist aufgrund der ähnlichen Hauptabmaße sowie gleicher Abtriebswellengeometrie gewährleistet. MMDS-Prüfstand und Verlustleistungsmodell Basierend auf den Gleichungen (1)-(5) wurde ein Simulationsmodell zur Untersuchung der Getriebekonzepte entwickelt. Neben der Berechnung der Einzelverlustleistungen der Getriebekomponenten wird ebenfalls die Möglichkeit der mechanischen Rekonfigurierbarkeit berücksichtigt. Somit ist eine umfassende Beurteilung des Betriebsverhaltens der Getriebekonzepte möglich. Da die beiden zu vergleichenden Getriebe bisher nur als Entwurf vorliegen, wurde der bereits existierende MMDS-Prüfstand des KAt verwendet, um das Simulationsmodell zu validieren. Bild 06 zeigt den aktuellen Prüfstandsaufbau. Antriebsseitig können vier identische Siemens 1PH8103 Asynchronmotoren mit jeweils 5,5 kW Nennleistung installiert werden. Alternativ können zwei der Motoren durch einen Siemens 1PH8101 Asynchronmotor (3,7 kW / 1 500 1/min) und einen Siemens 1PH8105 Asynchronmotor (7 kW / 1 500 1/min) ersetzt werden. Abtriebsseitig ist eine Lastmaschine vom Typ Siemens 1PA6186 installiert, welche beliebige Belastungssituationen bis zu einem Drehmoment von 700 Nm simulieren kann. Damit das Betriebsverhalten des Getriebes sowie das der Motoren vermessen werden kann, sind separate Drehmomentmesswellen mit integrierter Drehzahlmessung verbaut worden. Antriebsseitig werden vier Drehmomentmesswellen des Typs KTR Dataflex 32/100 verwendet. Abtriebsseitig ist eine Drehmomentmesswelle des Typs KTR Dataflex 42/1000 installiert. Weiterhin verfügt der Prüfstand über eine Öltemperierung mit der ein Betriebstemperaturbereich von 10 bis 150 °C eingestellt 110 antriebstechnik 10/2016

MEHRMOTORANTRIEBSSYSTEME werden kann. Die Öltemperatur wird mit vier PT100 Sensoren an Zu- und Ablauf sowie an zwei Messstellen im Ölsumpf erfasst. Das Getriebe besitzt eine Übersetzung von i = 7,1, wobei antriebsseitig vier identische Ritzelwellen verbaut sind. Das Übersetzungsverhältnis zwischen den vier Antrieben liegt somit bei i = 1. Die Steuerung des Prüfstands wird mittels Siemens Sinamics S120 Komponenten und einem Siemens Microbox IPC realisiert, welcher über eine Profibus-Schnittstelle mit einer D-Space DS1006 Echtzeithardware verbunden ist. Die Kopplung zu dem D-Space System erlaubt eine flexible Programmierung des Prüfstands mittels Matlab / Simulink sowie eine hochfrequente, zentralisierte Erfassung aller Messdaten von Getriebe und Motoren. Zur Validierung des Getriebeverlustleistungsmodells wurde der Getriebewirkungsgrad an 330 Betriebspunkten vermessen. Die Betriebspunkte wurden äquidistant über den Nennbetriebsbereich des Prüfstands verteilt. Der Arbeitspunkt minimaler Leistung des Getriebes lag antriebsseitig bei 50 1/min und 0 Nm Lastmoment. Der Arbeitspunkt maximaler Leistung lag antriebsseitig bei 1 500 1/ min und 100 Nm Lastmoment. Der Getriebewirkungsgrad wurde an denselben Arbeitspunkten mittels des Getriebeverlustleistungsmodells berechnet und anschließend mit der Messung verglichen. Bild 07 zeigt den Vergleich zwischen Modell und Messung. Abweichungen oberhalb der Messungenauigkeit der verwendeten Messmittel konnten nur bei Drehzahlen bis 200 1/min und antriebsseig erfassten Drehmomenten zwischen 5 Nm und 20 Nm festgestellt werden. Das entwickelte Simulationsmodell wird somit als validiert angesehen und für den Vergleich der beiden neuen Getriebekonzepte verwendet. Simulationsergebnisse Um das Betriebsverhalten von SMDS-Getriebe und MMDS-Sammelgetriebe zu beurteilen, wurden die einzelnen Anteile der Gesamtverlustleistung sowohl bei Nenndrehzahl der Getriebe bei variierender Belastung (Bild 08 links) als auch für eine konstante Belastung mit dem Nenndrehmoment bei variierender Drehzahl (Bild 8 rechts) simuliert. Es ist zu erkennen, dass die Gesamtverlustleistung (P V , schwarze Kurven) des MMDS-Sammelgetriebes geringer ist als die des SMDS- Getriebes. Der bei Nennlast größte Anteil der Getriebeverluste, die lastabhängige Verzahnungsverlustleistung (P VZ,P , blaue Kurven), wird durch die unterschiedlichen Getriebekonzepte nicht beeinflusst und tritt somit bei beiden Getrieben in derselben Höhe auf. Bei Betrachtung der Dichtungsverlustleistung (P VD , grüne Kurven) wird ersichtlich, dass das MMDS annähernd doppelt so hohe Dichtungsverluste erzeugt wie das SMDS. Unter Berücksichtigung der oben aufgeführten Randbedingungen ist dies auf die gesteigerte Anzahl der antriebsseitigen Dichtstellen zurückzuführen. Damit die Summe aller antriebsseitigen Dichtungsverluste des MMDS der antriebsseitigen Dichtungsverlustleistung des SMDS entspräche, müsste bei vier Antriebswellen der Wellendurchmesser gegenüber der SMDS-Antriebswelle halbiert werden (Gleichung (5)). Unter Berücksichtigung der Randbedingungen d) und k) ist diese Forderung jedoch nicht realisierbar. Aufgrund der Annahme k) wird für diesen Vergleich der Einsatz eines verlustleistungsreduzierten Dichtsystems, wie in [Nol12] beschrieben, zur Reduzierung der Dichtungsverluste zunächst nicht betrachtet. Diese Systeme bieten allerdings Potential für weitere Verlustleistungseinsparungen im MMDS. 07 Validierung des Getriebeverlustleistungsmodells Die Reduktion der Gesamtverlustleistung ist folglich auf die verbleibenden Verlustanteile der lastunabhängigen Verzahnungsverluste (P VZ,0 , türkise Kurven) und der Lagerverluste zurückzuführen. Die lastunabhängigen Verzahnungsverluste können durch das MMDS- Sammelgetriebekonzept um über 46 % reduziert werden. Dies ist hauptsächlich auf die geringere Zahnbreite des MMDS-Sammelgetriebes zurückzuführen, wodurch sowohl die Planschverluste als auch die Quetschverluste signifikant reduziert werden. Außerdem tauchen ausschließlich zwei der vier Antriebswellen in das Ölbad ein, wodurch die Planschverluste nach Gleichung (2) weiter reduziert werden. Die lastunabhängigen Lagerverluste (P VL,0 , rosa Kurven) können um 20 % reduziert werden. Dieser Effekt ist auf den verringerten Lagerdurchmesser zurückzuführen, der mit der dritten Potenz in die Berechnung der Verluste eingeht (Gleichung (4)). Hierdurch ist die Summe der antriebsseitigen Lagerverluste der vier Antriebswellen des MMDS geringer als die Lagerverluste der einzelnen Antriebswelle des SMDS. Die lastabhängigen Lagerverluste (P VL,P , rote Kurven) können ebenfalls reduziert werden. Maximal kann im Nennbetriebspunkt des Getriebes eine Reduktion um 63 % gegenüber dem SMDS erzielt werden. Die geringere Verlustleistung ist in diesem Fall durch das Produkt der im MMDS-Sammelgetriebe geringeren Lagerbelastung, der kleineren Baugröße und des von der Lagerbelastung abhängigen Berechnungsbeiwertes f 1 nach Gleichung (3) begründet. In Summe überwiegen die verlustreduzierenden Effekte der MMDS-Getriebestruktur die gesteigerten Dichtungsverluste. Infolgedessen resultiert über den gesamten Nennarbeitsbereich des Getriebes eine geringere Verlustleistung als bei einem SMDS-Getriebe. Folglich weist das MMDS-Sammelgetriebe strukturbedingt einen höheren Wirkungsgrad gegenüber dem SMDS-Getriebe auf. Bisher unberücksichtigt geblieben ist der Freiheitsgrad der mechanischen Rekonfigurierbarkeit. Zur Untersuchung der Auswirkungen dieses Freiheitsgrades wurde eine Antriebssystemkonfiguration Sie haben Teil 1 dieser Artikelserie verpasst oder möchten ihn gerne noch einmal lesen? Er steht unter folgendem Link zum Download bereit: http://bit.ly/MMDS_Paderborn_01 antriebstechnik 10/2016 111

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