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antriebstechnik 8/2017

Antriebstechnik 8/2017

FVA AKTUELL RWDR-Dynamik

FVA AKTUELL RWDR-Dynamik II Ein mit konstanter Wellendrehzahl betriebener Radialwellendichtring (RWDR) scheint auf den ersten Blick stationär beansprucht. Bei genauerer Betrachtung wird aber deutlich, dass es sich um einen instationären Zustand mit komplexen Wechselwirkungen der Parameter des Dichtsystems handelt. Liegt beispielsweise bei einem eingelaufenen Dichtring eine bestimmte Kontaktpressung vor, welche die Reibleistung bestimmt, so ändert sich Forschungsvorhaben dieser Zustand durch FVA 574 II Temperatureinfluss, Alterung und vor allem durch IGF-Nr. 17449 N/1 Verschleiß. Der Verschleiß an Dichtring und Welle verändert z. B. die Pressung im Kontakt und reduziert die Reibleistung, was sich in geänderten thermischen Bedingungen auswirkt und wiederum Rückwirkung auf den Verschleiß hat. Zudem können in der Praxis Wellenvibrationen auftreten, die für weitere instationäre Vorgänge verantwortlich sind. In dem Vorhaben FVA 574-II wurden die transienten Dichtsystemparameter über einen integrierten Berechnungsansatz zugänglich gemacht. Der entwickelte Ansatz setzt sich aus vier Submodellen zusammen, die wechselseitig durch Ein- und Ausgabe voneinander abhängen: n Im FE-Modell in Abaqus wird die modellierte RWDR-Geometrie durch eine Verschiebung der Welle aufgeweitet, woraus die Kontaktpressung resultiert. Die Temperaturverteilung wird ausgehend von der Kontakttemperatur berechnet und der Verschleiß an der Dichtkante wird über eine Geometrieanpassung simuliert. n Mit dem Reibmodell nach Engelke kann außer dem Reibmoment auch die Kontakttemperatur ermittelt werden. n Das analytische, reibenergiebasierte Verschleißmodell geht von einem linearen Zusammenhang zwischen Reibarbeit und Verschleißvolumen aus, dabei ist der Proportionalitätsfaktor empirisch zu ermitteln. n Das Materialmodell dient zur Beschreibung der viskoelastischen und quasistatischen Elastomereigenschaften, also der Steifigkeit in Abhängigkeit von Temperatur, Zeit und Dehnung. Außer diesen mechanischen Eigenschaften fließen auch die thermischen Größen in das Modell ein. Für die untersuchte Elastomer-Öl-Welle-Paarung wurde der Berechnungsansatz anhand von Versuchswerten umfassend validiert. Die Validierung zeigte u. a., dass die Berührbreite im Neuzustand des RWDRs sowie nach verschiedenen Verschleißwegen in Simulation und Experiment für eine Verschleißprognose gut übereinstimmt. Die Berührbreite der Dichtlippe ist ein wichtiger Parameter, da sie nicht nur als Verschleißindikator dient, sondern auch bei der Reibmomentberechnung mit einfließt. Mit den Ergebnissen des Forschungsvorhabens kann eine gute Abschätzung der Verlustleistung, des Verschleißes und vieler weiterer Parameter des Dichtsystems über eine Berechnung erfolgen. Weiterhin lässt sich eine Aussage über den Kontaktverlust der Dichtlippe unter dynamischer Wellenauslenkung treffen. Somit kann erstmals das instationäre Betriebsverhalten eines RWDRs über der Einsatzzeit berechnet werden. Die kostenintensive Prototypenherstellung und zeitaufwändige Prüfstandsversuche können dadurch auf ein Minimum reduziert werden. Die Anwendbarkeit des integrierten Berechnungsansatzes soll durch die Ermittlung der Eingangsparameter weiterer Elastomere und Öle in dem geplanten Folgevorhaben erhöht werden. Zudem soll die Bedienbarkeit durch eine grafische Benutzeroberfläche vereinfacht werden. Das IGF-Vorhaben 17449 N/1 der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Kontakt: Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA), Peter Exner, Tel.: 069/6603-1610 Forschungsvereinigung Antriebstechnik e. V. Lyoner Str. 18, 60528 Frankfurt Tel.: 069 / 6603-1515 E-Mail: info@fva-net.de Internet: www.fva-net.de 6 antriebstechnik 8/2017

Qualitätssicherung in der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien Die Kosten des elektrischen Hochvoltspeichersystems machen auch zukünftig mit ca. 300 €/kWh [1] den größten Anteil der Kosten elektrifizierter Antriebsstränge aus und sind wesentlicher Hemmschuh bei der Marktdurchdringung von E-Fahrzeugen. Um die Qualität von Lithium- Ionen-Batterien zu verbessern und schon im Produktionsprozess eine Voraussage über die späteren Leistungseigenschaften der Batterie treffen zu können, wurden im Rahmen des Projekts Quasi Bat II – Qualitätssicherung in der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien für Elektromobilitätsanwendungen – die Sensitivitäten der qualitätsbeeinflussenden Prozesskenngrößen und qualitätsrelevanten Produkteigenschaften erforscht. Die Ergebnisse schaffen ein grundlegendes Verständnis über die qualitätsbeeinflussenden Parameter im Produktionsprozess von Lithium-Ionen- Batterien und ermöglichen Kostenpotenziale zu generieren, indem Produktionsprozesse gemäß tatsächlicher Qualitätsanforderungen ausgelegt werden. Ziel der ersten Projektphase, des am Werkzeugmaschinenlabor und dem Lehrstuhl Production Engineering of E-Mobility Components der RWTH Aachen Forschungsvorhaben bearbeiteten Projekts, war die Identifikation und Analyse der qualitäts- FVA 630 II IGF-Nr. 16 N kritischen Produktionsschritte in der Batterieproduktion. In der zweiten Projektphase im Projekt wurde die großserientaugliche Ausgestaltung von Qualitätsregelkreisen für ausgewählte Produktionsschritte und Testverfahren im Produktionsprozess der Batteriezelle zur kontinuierlichen Bestimmung der Batteriequalität entwickelt. Dabei wurden im Verlauf der zweiten Projektphase aufbauend auf den Ergebnissen der ersten Phase erfolgreich die Prozessstörgrößen im Produktionsprozess identifiziert und nach den Auswirkungen auf die Leistung der Batterie priorisiert. Auf Basis einer Analyse der Auswirkungen der Störgrößen auf den gesamten Produktionsprozess ließen sich Aussagen zu einer optimalen Konfiguration von Fertigungsschritten treffen. Für die in der ersten Projektphase ermittelten Prozessschritte konnten auf Basis dieser Ergebnisse Qualitätsregelkreise abgeleitet werden. Die Validierung der Regelkreise auf Großserientauglichkeit bildete den Abschluss des Projekts. Die in diesem Projekt genutzte Anlagentechnik ist Teil des Elektromobilitätslabors (eLab) der RWTH Aachen, dessen Infrastruktur Forschungsprojekten und Industriepartnern zur Verfügung gestellt wird. Neben der Infrastruktur für die Fertigung und Beforschung der Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs gehören die Bereitstellung von Prüftechnologien sowie Büro- und Werkstattflächen zum Leistungsspektrum am eLab, das auf 800 m² Hallenfläche abgebildet ist. Das IGF-Vorhaben 16 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. [1] Nykvist, Björn, and Måns Nilsson. „Rapidly falling costs of battery packs for electric vehicles.“ Nature Climate Change (2015) Kontakt: Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA), Alexander Raßmann, Tel.: 069/6603-1820 | AT12-15G | Hochkompakt: Das universelleMultiachs- ServosystemAX8000. Halle 25, Stand D42 www.beckhoff.de/AX8000 DasAX8000-Systemkomplettiertdie hochskalierbare Beckhoff- Antriebstechnik:Neben denMotion-Control-Lösungender TwinCAT-Software undden skalierbarenMotorserien stehtein breitesAntriebsregler-Portfolio,von kompakterAntriebstechnik, direkt in derI/O-Ebene,bis zumServoverstärker AX5000,zur Verfügung. Dasmodular kombinierbare Multiachs-Servosystem AX8000 bringtHochleistungs-Antriebstechnik mitoptimierter Raumausnutzunginden Schaltschrank.

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