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antriebstechnik 10/2016

antriebstechnik 10/2016

08 Simulationsergebnisse

08 Simulationsergebnisse des Vergleichs zwischen SMDS-Getriebe und MMDS-Sammelgetriebe des Prüfstandantriebssystems mit vier identischen Motoren mit jeweils 35 Nm Nenndrehmoment angenommen. Weiterhin wurde angenommen, dass in Abhängigkeit des erforderlichen Antriebsdrehmoments die vier Motoren sukzessive zugeschaltet werden und die jeweiligen Einzelantriebsstränge bis zum Zeitpunkt der Motoreinschaltung mechanisch vollständig durch ein Schieberadkonzept von dem Sammelrad des Getriebes entkoppelt sind. Der sich für diese Betriebssituation bei der Nenndrehzahl des Getriebes ergebende Getriebewirkungsgrad ist in Bild 09 dargestellt. Zusätzlich sind die Wirkungsgrade des MMDS-Sammelgetriebes ohne Berücksichtigung der mechanischen Rekonfigurierbarkeit sowie der SMDS-Getriebewirkungsgrad abgebildet. Durch die Nutzung der mechanischen Rekonfigurierbarkeit lässt sich eine Verbesserung des MMDS-Sammelgetriebewirkungsgrades im Teillastbereich erzielen. Gegenüber dem leistungsäquivalenten SMDS-Getriebe konnte hier eine maximale Wirkungsgradsteigerung um 2,8 % erreicht werden. Dieses Wirkungsgradverhalten ist auf die Vermeidung der lastunabhängigen Verlustanteile der mechanisch entkoppelten Wellen des MMDS zurückzuführen. Sobald der Drehmomentbedarf die Zuschaltung eines weiteren Motors erfordert, fallen diese Verlustanteile jedoch wieder in voller Höhe an, wodurch sich der stufenförmige Verlauf des Wirkungsgrades im Bereich der Motornenndrehmomentgrenzen bei 35 Nm, 70 Nm und 105 Nm erklärt. Es ist allerdings zu beachten, dass durch die sukzessive Zuschaltung das antriebsseitige Drehmoment asymmetrisch auf die vier Zahneingriffsstellen des Sammelrades verteilt wird. Somit liegt eine Kraftkompensation nur bedingt vor, wodurch die Lagerbelastung an der Abtriebswelle gegenüber einer symmetrischen Drehmomentverteilung ansteigt. Weiterhin kann eine ungünstige Zuschaltreihenfolge dazu führen, dass die Kraftkompensation bei zwei aktiven Motoren nicht genutzt wird, was zu gesteigerten lastabhängigen Lagerverlusten über den gesamten Drehmomentbereich bis zum Nenndrehmoment führt (Bild 09 unten). Dieser Verlustanteil ist jedoch geringer als der Anteil der lastunabhängigen Lagerund Verzahnungsverluste. Folglich kann der Gesamtwirkungsgrad des Getriebes auch bei Nichtbeachtung der Zuschaltreihenfolge und dementsprechend einer asymmetrischer Drehmomentverteilung verbessert werden. Im weiteren Verlauf der Forschungsarbeiten wird untersucht werden, auf welche Weise eine möglichst symmetrische Drehmomentverteilung bei Nutzung der mechanischen Rekonfigurierbarkeit realisiert werden kann. Zu beachten ist in diesem Zusammenhang, dass weitere Bestandteile einer intelligenten Betriebsstrategie – wie beispielsweise die elektrische Rekonfigurierbarkeit (siehe Beitrag 1 und Beitrag 3 der Artikelserie) – anders geartete Drehmomentverteilungen bevorzugen oder erfordern können. Ziel muss es sein, einen Kompromiss zu finden, sodass die Effizienz des Gesamtsystems ein globales Wirkungsgradoptimum erreicht. Einen weiteren Schwerpunkt der Forschungsarbeiten stellt die technische Realisierung der automatisierten Nutzung der mechanischen Rekonfigurierbarkeit dar. In diesem Themenfeld werden unterschiedliche Schaltaktorikkonzepte und deren Integration in eine intelligente Betriebsstrategie untersucht werden. Modellbasierter Vergleich Im Folgenden wird unter Verwendung des aus dem ersten Beitrag bekannten Arbeitsprozesses des Kautschukinnenmischers gezeigt, welches Effizienzsteigerungspotential ein MMDS-Sammelgetriebe gegenüber einem konventionellen Getriebekonzept besitzt. Hierzu wurde der Arbeitsprozess auf das Antriebssystem des Prüfstands skaliert, so dass die Nennleistungsauslastung mit der realen Produktionsanlage übereinstimmt. Mit Hilfe des Simulationsmodells wurden die Verlustleistungen des SMDS-Getriebes und des MMDS- Getriebes berechnet. Für das MMDS wurden eine Antriebssystemkonfiguration mit vier identischen Motoren und die durchgängige Nutzung der mechanischen Rekonfigurierbarkeit mit einer sukzessiven Aufteilung des erforderlichen Antriebsdrehmoments angenommen. Die mechanische Entkopplung und erneute Einkopplung der Einzelantriebsstränge wurde idealisiert ohne ein Zeitverhalten der Schaltaktorik betrachtet. Bild 10 zeigt in den oberen beiden 112 antriebstechnik 10/2016

MEHRMOTORANTRIEBSSYSTEME 09 oben) Vergleich der Getriebewirkungsgrade unter Berücksichtigung des Freiheitsgrades der mechanischen Rekonfigurierbarkeit unten) gesteigerte lastabhängige Lagerverlustleistung ohne gezielte Berücksichtigung der Kraftkompensation 10 Vergleich des MMDS-Sammelgetriebes und des SMDS-Getriebes anhand des exemplarischen Arbeitsprozesses des Kautschukinnenmischers Diagrammen den antriebsseitigen Drehmoment- und den Drehzahlverlauf des Arbeitsprozesses. Die unteren Diagramme stellen die Simulationsergebnisse der Getriebeverlustleistung und des Getriebewirkungsgrads dar. Das MMDS-Sammelgetriebe weist über den gesamten Verlauf des Arbeitsprozesses eine geringere Verlustleistung auf als das SMDS- Getriebe. Insbesondere in den Teillastbereichen des Arbeitsprozesses wird der Einfluss der mechanischen Rekonfigurierbarkeit deutlich. Für den dargestellten Arbeitsprozess konnte der durchschnittliche Wirkungsgrad durch das MMDS-Sammelgetriebe um 0,6 % gegenüber dem SMDS-Getriebe gesteigert werden. Dies führte unter den getroffenen Annahmen zu einer Reduktion der Verlustenergie von 16 % bezogen auf die Verlustenergie des SMDS. Wird unter Berücksichtigung der Anzahl der Schaltvorgänge und der für diese Vorgänge erforderlichen Reibleistung des Schieberadkonzeptes überschlägig die Schaltenergie einer potentiellen Schaltaktorik ermittelt und diese in die Berechnung der Verlustenergie einbezogen, so liegt die Verlustenergie des MMDS 10 % - 12 % unterhalb der Verlustenergie des SMDS. Zusammenfassung und Ausblick Die Simulationsergebnisse zeigen, dass MMDS-Sammelgetriebe trotz einer gesteigerten Anzahl an Getriebekomponenten und eines mechanisch komplexeren Aufbaus gegenüber konventionellen Getrieben in der Lage sind, die Effizienz eines Antriebssystems positiv zu beeinflussen. Maßgeblich dafür sind die Einsparung an Verlustleistungen im Bereich der Lager und der Verzahnung. Somit konnte der Wirkungsgrad gegenüber dem SMDS gesteigert werden. Die Betrachtung der unterschiedlichen Freiheitsgrade während der Konzeptions- und der Betriebsphase hat jedoch auch gezeigt, dass es teilweise zu gegenläufigen Effekten bei gleichzeitiger Nutzung der Freiheitsgrade kommen kann. Ziel weiterer Forschungsarbeiten am KAt ist es daher, geeignete Verfahren zur Handhabung der Freiheitsgrade eines MMDS zu entwickeln (Fokus des dritten Beitrags). Zu diesem Zweck werden zukünftig die Einflüsse der MMDS-Getriebestruktur in einer intelligenten Betriebsstrategie zu berücksichtigen sein. Darüber hinaus müssen die aus der Getriebestruktur resultierenden Freiheitsgrade mit den Freiheitsgraden der elektrischen Rekonfigurierbarkeit eines MMDS vereinbart werden. Der Einfluss eines MMDS-Sammelgetriebes auf die Effizienz eines Antriebssystems konnte bislang nur simulativ untersucht werden. Ein weiterer Schwerpunkt der Forschungstätigkeiten wird daher in dem Aufbau der vorgestellten Getriebevarianten und in deren experimentellen Untersuchung liegen. Weiterhin werden mit Hilfe des Prüfstands unterschiedliche Konzepte zur technischen Realisierung des Freiheitsgrads der mechanischen Rekonfigurierbarkeit untersucht werden. Literaturhinweise: [Fra58] Franke, R.:Vom Aufbau der Getriebe - Entwicklungslehre der Getriebe. Düsseldorf : VDI-Verlag, 1958. [Mau87] Mauz, W.: Hydraulische Verluste von Stirnradgetrieben bei Umfangsgeschwindigkeiten bis 60 m/s. Stuttgart : IMK Stuttgart, 1987. [Mül90] Müller, K. H.: Abdichtung bewegter Maschinenteile. Waiblingen : Medienverlag Müller, 1990. [Nol12] Nolte, Karsten und Zimmer, Detmar: Low friction Rotary Shaft Seal. Velustleistungsreduziertes Dichtsystem. 17. Internationale Dichtungstagung. Stuttgart : VDMA, 2012. [Ohl58] Ohlendorf, H.: Verlustlesitung und Erwärmung von Stirnrädern. München : TU München, 1958. [Sch10] Schlecht, B.: Maschinenelemente 2 Getriebe - Verzahnung - Lagerungen. München : Pearson Studium, 2010. [Sch12] Technologies, Schaeffler: Wälzlager. Herzogenaurach : Schaeffler Technologies, 2012. Danksagung Die in dieser Beitragsreihe verwendeten Arbeitsprozessdaten wurden mit freundlicher Unterstützung von der Continental Reifen Deutschland GmbH Korbach bereitgestellt. antriebstechnik 10/2016 113

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