antriebstechnik 9/2019

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 05 CLSP Betriebsarten – links: hohe Kraft; Mitte: negative Teillast; rechts: positive Teillast A 1 A 1 M Q 1 M Q 1 A 2 A 2 P 0 P 0 Betriebsart Kraft Geschwindigkeit Leistung Positive Volllast Negative Leerlast Positive Leerlast F 1 = 85 kN V 1 = 0,090 m/s P 1 = 7,650 kW F 2 = – 1 kN V 2 = – 0,335 m/s P 2 = 0,335 kW F 3 = 1 kN V 3 = 0,375 m/s P 3 = 0,375 kW Tabelle 01: CLSP Zielparameter Parameter Wert Einheit [SI] Bemerkung Q 1 0,0000083 m 3 Pumpenverdrängung (8,3 cm³) D 1 0,058 m Kolbendurchmesser D 2 0,040 m Stangendurchmesser A 1 0,00264 m 2 Kolbenfläche A 2 0,00139 m 2 Ringfläche Kolbenseite A 3 0,00125 m 2 Differential Flächenverhältnis A 1 – A 2 h 1B 0,00314 m Steigung für hohe Kraft (Bild 05a) h 2B 0,00599 m Steigung für negative Lastfrei (Bild 05b) h 3B 0,00664 m Steigung für positive Lastfrei (Bild 05c) Tabelle 02: CLSP gewählte Parameter Für den mechanischen Spindelantrieb berechnen wir elementar die lineare Geschwindigkeit V LIN und die Kraft F LIN : Für eine EHA können wir die hydrostatische Steigung h EHA definieren. Für einen Gleichlaufzylinder EHA mit Pumpenverdrängungsverhältnis Q 1 /Q 2 gleich dem Oberflächenverhältnis A 1 /A 2 erhalten wir die einheitliche hydrostatische Steigung für beide Bewegungsrichtungen: Durch den Austausch der mechanischen Steigung h MEC gegen die hydrostatische Steigung (3) können wir nun (1) und (2) zur Berechnung der Beziehungen zwischen linearer Drehzahl und Kraft in Abhängigkeit von der Drehzahl und dem Drehmoment des Antriebsmotors in einem EHA verwenden. Viele industrielle Anwendungen sind hauptsächlich gekennzeichnet durch die maximale Geschwindigkeit V MAX und die maximale Kraft F MAX . Es ist offensichtlich, dass diese Anforderungen aus dem linearen Bereich die Anforderungen für den Antriebsmotor definieren. Als eine Funktion von V MAX und F MAX würden wir die maximale Leistung P MAX erhalten. Aber in industriellen Anlagen tauchen F MAX und V MAX nicht immer gleichzeitig auf. Stattdessen bezieht sich F MAX auf eine niedrige Prozessgeschwindigkeit V FMAX und V MAX bezieht sich oft auf eine niedrige Belastungskraft F VMAX . Somit erhalten wir die Beziehungen für zwei Arbeitspunkte und ihre relative Betriebsleistung P FMAX und P VMAX . In Produktionsmaschinen kann das Verhältnis P MAX /P FMAX und P MAX /P VMAX oft im Bereich von 2–10 liegen. Da wir für den Motor jedoch immer nur einen Typ und Größe auswählen müssen, muss der Motor näher an P MAX liegen. Dies ist die Auslegungsfalle: Wir brauchen nur 10 kW bei maximaler Geschwindigkeit oder maximaler Kraft, aber es kann ein Motor von 30 kW nötig sein, damit er die Daten bei jeder Geschwindigkeit/jedem Drehmoment liefern kann. Bild 03 zeigt ein Hub-Zeit-Diagramm und ein Leistungsdiagramm für die Parameter von (5,6). P FMAX und P VMAX werden als gleich dargestellt, was nur ein Beispiel für die Vereinfachung ist. Überlastbetrieb zu nutzen, um ein hohes Spitzendrehmoment zu erhalten und die Feldschwächung zu nutzen, um eine hohe Geschwindigkeit zu erreichen, ist nicht wirklich ein Ausweg aus dieser Falle. Es ist nur eine Methode, Eisen, Kupfer und Magnete des Motors optimal zu nutzen. 94 antriebstechnik 2019/09 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 06 Roboterbasierte CLSP Anwendung 07 PDSC Prinzipschema und Betriebsarten A 3 A 1 A 2 Q 1 Q V 1 A 1 = A 2 + A 3 Q 2 V 2 Mode V 1 V 2 Q 1 A 3 No load positive No load negative A 3 Q 2 A 1 - A 2 A 1 - A 2 m positiv Full load positive A 2 + A 3 A 1 Wenn wir jedoch zwei verschiedene Steigungen h FMAX und h VMAX verwenden könnten, wären wir in der Lage, einen kleineren Motor zu wählen und die Leistung dieses Motors besser an die Anforderungen der Anwendung anzupassen. Während dies für elektromechanische Antriebe kaum praktikabel ist, stehen für EHA mehrere Ansätze zur Verfügung. TOPOLOGIEN MIT ADAPTIVER STEIGUNG Wir identifizieren die Pumpenverdrängung und die wirksame Kolbenfläche als Schlüsselparameter. Wenn wir wollen, dass die effektive Steigung adaptiv ist, müssen wir mindestens einen dieser Parameter im laufenden Betrieb anpassen. Um die Kosten, den Lärm und die Komplexität von Verstellpumpen zu vermeiden, konzentrieren wir uns auf Innenzahnradpumpen mit konstanter Verdrängung. Als Antwort auf spezifische Projektanforderungen wurden mehrere solcher Topologien implementiert und zum Einsatz gebracht. Diese Topologien decken nur einen kleinen Bruchteil des möglichen Lösungsraums ab. Und es wird nicht beansprucht, damit die theoretisch beste Lösung für ein gegebenes Problem zu haben. Sie wurden entwickelt, um ein gegebenes industrielles Antriebsproblem zu lösen, mit einem guten Kompromiss bei Ausrüstungskosten, Komplexität und der resultierenden Antriebsleistung. DIFFERENTIALZYLINDER MIT 4Q-PUMPE Bild 04 zeigt das vereinfachte Schema eines CLSP Antriebs [4]. Die Kombination eines Differentialzylinders und einer 4Q-Pumpe ist komplex. Viele der Komponenten befassen sich mit der Anpassung des symmetrischen Fluideingangs/-ausgangs der 4Q-Pumpe auf den nichtsymmetrischen Fluidstrom für einen Differentialzylinder. Die automatische Anpassung der aktiven Kolbenflächen an die Lastsituation erfordert auch spezielle Komponenten. Bevor wir die Funktion erklären, betrachten wir die Auslegungsfalle für diesen Fall. Die Tabelle 01 zeigt die Zielparameter eines realen Projekts für positive Volllast, positiven Leerhub und negativen Leerhub. Es ist wichtig, dass Volllast nur in positiver Richtung erforderlich ist (Bild 03 links). Dies ist typisch für viele Produktionsprozesse wie Metallumformung, Metallbiegen oder spezielle Blechfügeprozesse wie Nieten oder Clinchen. Hinweis: F 2 und F 3 sind sehr klein, da der Antrieb nur sein eigenes (Kolben-) Gewicht und ein sehr leichtes Werkzeug bewegen muss. Zur Übersicht skizzieren wir die Dimensionierung eines Motors für einen geeigneten Spindelantrieb. Die Spindelsteigung h 3A ergibt sich aus der höchsten Lineargeschwindigkeit V 3 und der maximalen Drehzahl des Motors ω 3 (hier: 3 800 min -1 ): 08 Vereinfachte schematische Darstellung des mobilen Geräts für Fluidmanagement und Service Von EHA Leer Mobile Fluid Service Einheit Ventile: – Betriebsart – Druckeinstellung Filter Q Performance Fluid PF 700 Zu EHA PF-700 Mit h 3A berechnen wir nun das Drehmoment M 1 für die Volllast F 1 : Unter der Annahme eines angemessenen Drehmomentüberlastfaktors wählen wir einen Katalogmotor mit einem Nennmoment von 26 Nm, einer Nennleistung von 8,2 kW und einem Gewicht von 31,5 kg (T7–4000, [6]). Das Auslegungsziel für einen EHA mit adaptiver Steigung ist die Verringerung der Größe und Nennleistung des Motors. Dazu implementieren wir eine EHA mit zwei verschiedenen hydraulischen Steigungen, h F für hohe Kraft und h V für hohe Geschwindigkeit. Bild 05 zeigt die drei Konfigurationen, um die Lastfälle von voller Kraft, positivem Leerhub und negativem Leerhub zu erfüllen. Der Differentialzylinder wird mit einer Kolbenoberfläche für hohe Kraft und einer ringförmigen Stangenseitenoberfläche oder Differentialoberfläche für hohe Geschwindigkeit bei geringer Kraft verwendet. Man beachte, dass sich die EHA gemäß Bild 04 automatisch in eine der Konfigurationen von Bild 05 anpasst. Das 5-3-Ventil V 1 ist durch www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2019/09 95