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antriebstechnik 9/2019

antriebstechnik 9/2019

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG WARUM ADAPTIVE ELEKTRO- HYDROSTATISCHE AKTUATOREN BENCHMARK SEIN WERDEN Elektrohydraulische Antriebe (EHA) sind zur Technologie der Wahl für industrielle Anwendungen geworden, wenn Entscheidungsträger dem Trend zu „vollelektrischen“ Maschinen folgen wollen, aber dennoch die großen Vorteile hydraulischer Antriebe beibehalten müssen. Nach dem Beweis der Funktionalität dieses Konzepts in vielen kommerziellen Anwendungen zielen aktuelle Entwicklungen auf Merkmale und Effizienzniveaus ab, die sogar den elektromechanischen Stand der Technik übertreffen. Adaptive elektrohydrostatische Aktuatoren werden in vielen Anwendungsklassen Benchmark in Sachen Kompaktheit, Bedienkomfort und Energieeffizienz sein. 92 antriebstechnik 2019/09 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Während des vergangenen Jahrzehnts haben EHA ihren Weg aus Forschung und Lehre in reale industrielle Anwendungen gefunden [1]. Theoretische und wissenschaftliche Arbeiten haben uns das notwendige Verständnis ihres dynamischen und thermischen Verhaltens gegeben [2,3]. Ebenso wichtig ist der Fortschritt in der Technologie der synchronen Servomotoren und Antriebe, der es EHA ermöglicht, nicht nur technisch zufriedenstellend, sondern auch kommerziell wettbewerbsfähig zu sein. Die Leistungseffizienz am Arbeitspunkt ist genauso gut wie die der elektromechanischen Alternative. An diesem Stand der Dinge ist es unsere Aufgabe, an der Benutzerfreundlichkeit von EHA zu arbeiten und auch über weitere Entwicklungen nachzudenken, die – in dieser Form – nur für hydraulische Antriebe möglich sind. Ein kritisches Problem bei EHA ist die Fluidqualität und die Wartung von Flüssigkeiten. Die Menge an Flüssigkeit in einer EHA beträgt 1–2 Größenordnungen weniger im Vergleich zu einer klassischen Drosselsteuerung. In einem EHA benötigen wir nur 2–10 l Fluid, während ein vergleichbarer klassischer hydraulischer Antrieb einen Tank von 200 bis 300 l benötigen würde. Als Konsequenz konzentriert sich die mechanische und thermische Belastung auf die geringe Menge Fluid. Da solche EHA oft geschlossene Systeme sind und hy draulisch vorgespannt sind, wird das Reinigen und Filtern oder Ersetzen der Flüssigkeit zu einem echten Problem im Feld, wenn die notwendigen Werkzeuge nicht zur Hand sind. Bei Voith wurde ein mobiles Fluid- Service- und -Management-Gerät entwickelt, das diese Aufgabe auch für Nicht-Experten überschaubar und einfach macht. Eine weitere Herausforderung für EHA ist die „Auslegungs- Falle“. Was bei der täglichen Arbeit des elektromechanischen Antriebsingenieurs schon immer eine Rolle gespielt hat, ist für Hydrauliksystemingenieure eine neue Herausforderung geworden. Bei der Konstruktion eines klassischen hydraulischen Antriebs kann nahezu jede Systemanforderung erfüllt werden, vorausgesetzt, das Servoventil reagiert schnell genug und das Aggregat liefert ausreichend Energie. Bei EHA wie bei elektromechanischen Antrieben muss jedoch die gesamte mechanische Energie vor Ort vom Servomotor geliefert werden. Die Verwendung von Druckspeichern für die Spitzenleistung ist in EHA nicht möglich. Die Dimensionierung des Motors wird zu einer kritischen Aufgabe. Wenn der Motor zu klein ist, reicht das Drehmoment nicht für die Anforderungen in maximaler Kraft aus. Einfach den nächstgrößeren Motor zu wählen, kann das Problem in eine andere Domäne verschieben, da die erhöhte Trägheit dieses größeren Motors verhindern kann, dass das System die Anforderungen in Bezug auf Dynamik und Beschleunigung erfüllt. Dieser widersprüchliche Satz von Anforderungen wird als Auslegungs-Falle bezeichnet. Dies gilt für EHA genauso wie für elektromechanische Antriebe. Aber mit EHA gibt es einen Ausweg, den es für elektromechanische Antriebe nicht gibt. EHA MIT NICHT KONSTANTER STEIGUNG DIE AUSLEGUNGS-FALLE Zu Vergleichszwecken zeigt Bild 01 eine grundlegende EHA-Struktur und Bild 02 den äquivalenten elektromechanischen Antrieb mit einem Spindelantrieb. Wir nehmen weiter an, dass der volumetrische Wirkungsgrad η VOL und der mechanische Wirkungsgrad η MEC der Pumpe gleich 1 sind, genauso wie wir annehmen, dass der mechanische Wirkungsgrad der Spindel η MEC gleich 1 ist. s [m] 01 Grundschema EHA mit konstantem Getriebe M Q 2 Q 1 P 0 A 1 A 2 F L M 02 Elektromechanischer Spindelantrieb h F L 03 Leistungsdiagramm Antrieb – links: working load cycle; rechts: power chart F [N] F max F max v Fmax v max v max F vmax Fvmax F vmax t [s] v Fmax v max P 0 R 1 V 4 V 5 04 CLSP Prinzipschema v [m/s] V 2 V 1 A 1 M Q a V 3 b c A 2 www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2019/09 93

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