Antriebe und Komponenten

DEMIKS

Rotationsmassenspeicher in Verbindung mit Windenergieanlagen

Titel_DEMIKS © Thomas Hentschel Titel_DEMIKS © Thomas Hentschel
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© Thomas Hentschel

Mit zunehmender Integration Erneuerbarer Energien (EEN) in das bestehende Stromnetz bedarf es eines verstärkten Einsatzes anwendungsgerechter Speichertechnologien, deren zielgerichtete Aufnahme und Bereitstellung elektrischer Energie nicht nur zur Glättung der Einspeiseleistung aus EEN beiträgt, sondern ebenso eine Homogenisierung fluktuierender Verbraucherlastprofile bewirkt. Neben der Vielzahl von zentralen Speichern, wozu u.a. Pumpspeicherkraftwerke zählen, gewinnen dezentrale Speicher zunehmend an Bedeutung. Eine seit Jahrhunderten im Maschinenbau genutzte Methode der Energiespeicherung sind rotationskinetische Speicher (RKS). Die von Ihnen ausgehenden Rahmenbedingungen zur dezentralen Integration in das Stromnetz zur Einspeisung von EEN aus Windenergieanalagen sollen innerhalb des FuE-Projekts „DEMIKS“ analysiert und in Form eines Demonstrators umgesetzt werden. Der RKS soll dabei eine Speicherkapazität von bis zu 500 kWh bei einer optimalen Lade-/Entladeleistung von ca. 500 kW aufweisen.

Kontakt: Thomas Hentschel

Zahnkupplungen - Ermittlung der Fresstragfähigkeit

Methode zur Ermittlung der Fresstragfähigkeit von verlagerungsfähigen Mitnehmerverzahnungen in Zahnkupplungen

Titel_ZakuFress © Thomas Breitenbach Titel_ZakuFress © Thomas Breitenbach
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© Thomas Breitenbach

Technisch betrachtet ist unter Fressen grundsätzlich das lokale „Verschweißen“ und Losreißen zweier Kontaktpartner zu verstehen. Wie bei Stirnradverzahnungen wird auch bei Mitnehmerverzahnungen zwischen Kalt- und Warmfressen unterschieden. Es entsteht durch Mangelschmierung als Folge thermischer Überlastung. Für das Warmfressen sind überkritische spezifische Reibleistungen, d.h. zu hohe Flankenpressungen in Kombination mit zu hohen Gleitgeschwindigkeiten, verantwortlich. Hingegen tritt Kaltfressen aufgrund von Mangelschmierung, bedingt durch niedrige Relativgeschwindigkeiten und unzureichendem Schmierfilmaufbau, insbesondere bei transientem Betriebsverhalten, oder infolge von allmählichem Schmierstoffversagen durch überhöhte Dauerbetriebstemperaturen auf. Diese Unkenntnis erschwert eine zuverlässige, betriebssichere Bemessung von Zahnkupplungen in hohem Maße.
Es stellt sich also die Frage, wie es gelingt, Fressen in der Verzahnung von Zahnkupplungen sicher vorherzusagen.

Kontakt: Matthias Rebettge

GeLager

Entwicklung von wartungsfreien und verschleißarmen Lagern für oszillierende Gelenke von mobilen Arbeitsmaschinen unter Einsatz von Ingenieurkeramiken

Bei mobilen Arbeitsmaschinen haben Kosten aus Stillstand und Wartung eine besondere Bedeutung, weil Verschleißteilwechsel und Schmierzyklen alltäglich sind. Diesem Sachverhalt begegnet man sehr deutlich in den freien Gelenken von Arbeitsausrüstungen dieser Maschinen, die als Gleit- oder Gelenklager ausgebildet sind. In den Wartungsvorschriften werden Nachschmierzyklen angegeben, die nicht nur Aufwand bedeuten, sondern auch Maschinen mit hässlich verschmutzten Fettkragen und unüberhörbarem Gelenkspiel (Verschleiß) hinterlassen. Der Trend zur Wartungsfreiheit, Energieeffizienz und Umweltschonung erfordert eine Verschleißreduzierung an den hochbeanspruchten Kontaktstellen dieser bewegten Bauteile, die einen geringen Reibwert und zudem die Verhinderung von Schmiermittelaustritt sicherstellen sollen.
Das angestrebte Forschungsziel besteht in der Entwicklung eines wartungsfreien und verschleißarmen Gleitlagers für oszillierende und hochbelastete Gelenke in Arbeitsausrüstungen.

Kontakt: Christian Stentzel

Zahnkupplungen – Ermittlung von Simulationsparametern

Ermittlung von Modellparametern zwecks Abbildung verlagerungsfähiger Mitnehmerverzahnungen in MKS-Antriebssystemen

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© Thomas Breitenbach

Das dynamische Systemverhalten eines Antriebsstrangs wird durch das jeweilige Schwingungsverhalten seiner Einzelkomponenten charakterisiert. In der Regel stehen für eine Simulation Kennlinienfelder, analytische Zusammenhänge oder einzelne Parameter für das jeweilige Maschinenelement zur Verfügung. Für eine Vielzahl von Maschinenelementen, z.B. Wälzlager, Gleitlager, Stirnräder, existieren derartige Modellparameter sowie deren Bestimmungsmethoden. Allerdings ist der Ingenieur nach wie vor mit dem Problem konfrontiert, nicht alle im Antriebsstrang eingesetzte Komponenten aufgrund fehlender Modellparameter in der Simulationsumgebung adäquat abbilden zu können. Eines der aus diesem Grund bislang nicht hinreichend abbildbaren, jedoch sehr einflussreichen, Maschinenelemente ist die Zahnkupplung.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, eine Methode für die Ermittlung und Bereitstellung von Modellparametern zu erarbeiten, mit denen der Zahneingriff als solcher und damit die Lastübertragung innerhalb der Mitnehmerverzahnung von Zahnkupplungen mathematisch beschrieben wird.

Kontakt: Thomas Breitenbach

Thermohydraulischer Lineargenerator

Theoretische Grundlagen zur Verknüpfung von thermohydraulischer und thermoelektrischer Leistungswandlung in einem Aggregat

thlg © Frank Hänel thlg © Frank Hänel
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© Frank Hänel

Die Entwicklung von Systemlösungen für elektrohydraulische, leistungsverzweigte Antriebe wird u. a. als bedeutende Quelle für Kraft- und Schadstoffeffizienz erkannt. Umso interessanter wäre es, wenn in einem Primäraggregat die verbrennungsmotorisch erzeugte Leistung gleichzeitig und wahlweise in hydraulische sowie elektrische umgewandelt werden könnte. Das hätte den Reiz, die vielfältigen Verbraucher mobiler Arbeitsmaschinen je nach Effekt elektrisch oder hydraulisch zu betreiben. Außerdem kann man mit einem derart verzweigten System den jeweiligen Vorzügen der Energiespeicherung besser gerecht werden.
In dem von der DFG geförderten Projekt besteht das Forschungsziel in den theoretischen Grundlagen der Verknüpfung von thermohydraulischer und thermoelektrischer Leistungswandlung in einem kompakten Aggregat, dem Thermohydraulischer Lineargenerator. Die gleichzeitige und in ihren Anteilen frei wählbare Bereitstellung hydraulischer und elektrischer Leistungen basiert dabei auf dem Prinzip der thermohydraulischen Freikolbenmaschine, welche im Rahmen eines mehrjährigen Vorschungsvorhabens am Lehrstuhl entwickelt, getestet und in Betrieb genommen wurde, mit angeflanschtem elektrischen Lineargenerator samt Leistungselektronik.

Kontakt: Frank Hänel

ABGESCHLOSSENE FORSCHUNGSPROJEKTE

Thermohydraulische Freikolbenmaschine

Freikolbenmaschine als Primäraggregat

In mobilhydraulischen Antrieben dient bisher der Verbrennungsmotor mit angeflanschter Pumpe als Primäraggregat.
Im Verbrennungsmotor wird chemisch gebundene Energie in mechanische und in der Pumpe in hydraulische Arbeit gewandelt. Diese bewährte Antriebsart ist durch zwei Nachteile gekennzeichnet: In Verbrennungsmotor und Pumpe erfolgt die Umwandlung von oszillierender in rotatorische Bewegung und umgekehrt.Aufgrund von Leerlauf- und Teillastanteilen sowie durch Drosselsteuerung der Verbraucher im Hydrauliksystem entstehen hohe Verluste. Die Freikolbenmaschine im speicherbehafteten Konstantdrucknetz bietet eine Lösung, diese Nachteile zu vermeiden. Durch die Verbindung von Verbrennungsmotor- und Pumpenkolben entsteht eine preiswerte Konstruktion, die nur ein bewegtes Teil, den Freikolben, besitzt. Die FKM ist vom Lastzyklus der Verbraucher weitgehend entkoppelt. Im Stapelbetrieb arbeitet sie nur abhängig vom Hochdruckniveau, ohne Leerlauf und Teillast. Durch Sekundärregelung und Rekuperation im Konstantdrucknetz ergeben sich weitere Energiesparmöglichkeiten.

Kontakt: Frank Hänel

Hybrid-Stapler

Gabelstapler mit hydraulischem Hybridantrieb

Es wurde ein serielles Hybrid-Antriebskonzept für Gabelstapler umgesetzt. Ein Konstantdrucksystem mit Hochdruck- und Niederdruckspeicher entkoppelt Last- und Leistungserzeugung. Im gebauten Prototyp DFG25 der Firma Jungheinrich erfolgt die Druckaufrechterhaltung mit einer thermohydraulischen Freikolbenmaschine (FKM) im Aussetzbetrieb (Start-Stopp). Durch Verstelleinheiten wird eine bedarfsgerechte, verlustarme Versorgung von Hubwerk und Fahrwerk gewährleistet. Da diese Verstelleinheiten über Null schwenkbar sind, wird eine unmittelbare Rückgewinnung von Brems- bzw. Senkenergie ermöglicht. Mit dem Hybridsystem konnten für den gebauten Prototypen 20% Kraftstoff eingespart werden. Die Reduktion des Verbrauchs lässt sich fast ausschließlich auf den Start-Stopp-Betrieb zurückführen. Die mittlere Einschaltdauer beträgt ca. 39%. Während dieser Zeit läuft die Maschine im Auslegungspunkt, ineffizienter Teillastbetrieb wird vermieden.

Kontakt: Frank Hänel

LEANTEC

LEANTEC® - Leichte Elektroantriebe neuester Technologie

In den Fahrantrieben mobiler Arbeitsmaschinen werden vorrangig hydrostatische Getriebe mit nachgeschalteten mechanischen Übersetzungen und Verteilungen verwendet. Diese Topologie weist Nachteile in Bezug auf Wirkungsgradverhalten und Verschleiß auf. Ein Topologiewechsel schafft hier Abhilfe. Im Rahmen des Innovativen regionalen Wachstumskerns LEANTEC Antrieb wird ein neuartiger elektrischer Einzelrad - Fahrantrieb entwickelt, gebaut und erprobt.

Kontakt: Christian Stentzel

Zahnkupplungen – Bemessung von oszillierenden Gleitkontakten

Bemessungsmethode und Bemessungskriterien für Mechanismen mit oszillierendem Gleitkontakt anhand der Mitnehmerverzahnung von Zahnkupplungen

Zahnkupplungen dienen bei axialem, radialem und angularem Versatz von momentübertragenden Wellen zu deren Verbindung, wobei das Übertragungsverhalten der Zahnkupplungen vom Auslenkungswinkel der Verzahnungsachsen bestimmt wird. Bei Auslenkungswinkeln von ≥ 0,5° ist erfahrungsgemäß die beanspruchte Verzahnung tribologisch, d.h. schmierungstechnisch, gut beherrschbar. Dieses Forschungsthema diente dem Aufzeigen von Möglichkeiten für eine betriebssichere Realisierung von extrem kleinen Auslenkungswinkeln ( << 0,5°). Sie rufen einen oszillierenden Gleitkontakt mit sehr kurzen Gleitwegen und entsprechend geringen Gleitgeschwindigkeiten hervor. Die dabei entstehende Pressungsüberlappung führt zur starken Beeinflussung des Tribozustandes (Schmierstoffzufuhr).

Ziel des Projekts war es, zuverlässige Bemessungskriterien für derartige Gleitkontakte zu erforschen. Zur Umsetzung dessen wurde ein Berechnungsalgorithmus entwickelt, der die Lastverteilung innerhalb der Verzahnung im Hinblick auf die veränderten Kontaktbedingungen und die resultierenden Beanspruchungen beschreibt.
Im zweiten Teil der Bemessung kann eine Abschätzung der Lebensdauer für den im Grenz- und Mischreibungsgebiet betriebenen Kontakt erfolgen. Die dazu notwendigen analytischen Gleichungen wurden im Beitrag abgeleitet. Das verwendete Verschleißmodell basiert auf einem energetischen Ansatz, für den eine Proportionalitätsgröße, die verschleißspezifische Reibungsarbeit, notwendig ist. Die verschleißspezifische Reibungsarbeit wurde für einen breiten Parameterbereich sowie für zwei Werkstoffe und 5 unterschiedliche Schmierstoffe (drei Öle und zwei Fette) bestimmt.

Kontakt: Thomas Breitenbach

Hexapod - MOBIMA

Arbeitsausrüstung mit parallelkinematischen Strukturen für Mobile Arbeitsmaschinen

Die Zielstellung des ForMaT-Vorhabens „Hexapod-MOBIMA“ bestand in der Forschung und Entwicklung parallelkinematischer Arbeitsausrüstungen für mobile Arbeitsmaschinen. Der Fokus dabei lag auf eine verbesserte Beweglichkeit der Arbeitsausrüstung gegenüber konventionell eingesetzter Mechanismen. Neben technischen Aspekten sollten darüber hinaus betriebswirtschaftliche Untersuchungen hinsichtlich marktrelevanter Lösungen durchgeführt werden.
Für die Konzeptfindung und Realisierung parallelkinematischer Arbeitsausrüstungen im Bereich der Baumaschinentechnik wurden folgende Anwendungen näher betrachtet:

1) Hexapod-Manipulator als Arbeitsausrüstung am Radlader,
2) Hexapod-Manipulator als Scharzustellkinematik am Motorgrader,
3) Hexapod-Manipulator als Feder- und Dämpfungssystem für Kabinen.

Der zentrale Untersuchungsschwerpunkt des Projekts stellte die Anwendung 1 dar. Neben der Konzeptfindung sollte die parallelkinematische Arbeitsausrüstung am Radlader bis zum funktionsfähigen Demonstrator verfolgt werden. Parallel dazu waren Entwicklung und Umsetzung eines stationären Hexapodprüfstands durchzu-führen. Mit dessen Hilfe fanden Konzipierung des hydrostatischen Antriebssystems und Entwicklung/Erprobung des echtzeitfähigen Steuer- und Regelungsalgorithmus für die Hexapodstruktur statt. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse waren anschließend an der Beispielapplikation „Radlader“ umzusetzen. Für die zweite Anwendung sollten Eignung und Funktionsstrukturen einer parallelkinematischen Struktur als Scharzustellkinematik am Motorgrader untersucht und entwickelt werden. Die dritte und letzte Anwendung sollte einem Potentialscreening unterzogen werden.

Kontakt: Thomas Hentschel

Feinstaub auf Baustellen

Gefährdung durch Feinstaubemissionen von Bau- und Baustoffmaschinen

Die deutsche Bauindustrie fördert ohne Vorbehalte die Entwicklung umfassender Strategien zur Luftreinhaltung und leistet schon heute einen angemessenen Beitrag zur Reduktion von Feinstaubemissionen unter der Zielsetzung des Umwelt- und Gesundheitsschutzes. Neben der permanenten Modernisierung des Baumaschinenbestandes durch die Betreiber sieht der Luftreinhaltungsplan auf Kommunalebene verschiedenste Bestimmungen zur Reduzierung der Feinstaubemissionen vor, welche technische und verkehrsorientierte Maßnahmen, die energetische Sanierung von Gebäuden, die Staubvermeidung auf Baustellen und generelle Projekte zur Energiewende einschließen.
Neben den Rußemissionen entsteht Feinstaub auf Baustellen jedoch durch eine Vielzahl von Arbeitsprozessen, wie z. B. das Anrühren und Mischen von Baustoffen, der Umschlag staubender Güter, der Abrieb beim Bohren, Schleifen, Sägen oder Fräsen und die Aufwirbelung von Bodenstoffen durch den direkten Einsatz mobiler Baumaschinen. Die Feinstaubbelastung stammt somit aus einer Vielzahl unterschiedlicher Quellen, von denen keine so stark überwiegt, dass eine einzelne Maßnahme das Problem lösen könnte.

Im Interesse des Gesundheitsschutzes der Arbeitnehmer kommt der Vermeidung dieser Staubbelastungen auf Baustellen deshalb eine hohe Bedeutung zu. Ultrafeine Dieselrußpartikel sind durch die offizielle Einstufung der Luftverschmutzung als Krebsursache durch die Weltgesundheitsorganisation in den Blickpunkt der Politik und Medien geraten. Die aktuelle hitzige Diskussion um die Belastung der Luft mit Feinstaub und der damit verbundenen Angst vor einer kürzeren menschlichen Lebenserwartung fand schnell eine Zielscheibe: den Verbrennungsmotor. Der angebliche Hauptverursacher, das Dieselfahrzeug, soll nur noch mit einem Partikelfilter geduldet werden. Dabei tragen dieselbetriebene Fahrzeuge und Maschinen nur zu einem kleinen Teil zur Feinstaubbelastung bei. Wie hoch der Anteil des Rußes wirklich ist, ist derzeit noch unbekannt und ließe sich nur mittels aufwändiger und kostenintensiver Laboranalysen bestimmen.

Kontakt: Frank Hänel, Helge Rautenberg

Abgasnachbehandlung

Anforderungsanalyse zur Abgasnachbehandlung im Aussetzbetrieb

Als Antriebsquellen kommen bei Mobilen Arbeitsmaschinen vornehmlich Verbrennungsmotoren zur Anwendung. Sie unterliegen der Ressourcenverknappung beim Kraftstoff und immer schärferen Schadstoffgrenzwerten (Europa: Stufe 3B ab 2011 bzw. 2013; USA: Tier 4 ab 2008 bzw. 2013). Der spezifische Kraftstoffverbrauch und die damit verbundene Schadstoffemission können nicht mehr allein vom Motorhersteller beeinflusst werden. Eine nennenswerte Verbesserung ist nur noch über neue Systemlösungen zu erreichen.
Bei einer Vielzahl mobiler Arbeitsmaschinen lassen sich durch die Umstellung konventioneller Antriebssysteme auf Hybridantrieb durch den Aussetzbetrieb und das „Downsizing“ erhebliche Energieeinsparungen und CO2 – Emissionsminderungen realisieren. Dabei sollen aber keine Verschlechterungen der Emission anderer Luftschadstoffe auftreten.

Kontakt: Helge Rautenberg

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Thomas Breitenbach
Letzte Änderung: 20.02.2018